Artigo traducido por un sistema de tradución automática. Máis información aquí.

Novos materiais

Na UE elaboráronse 1.400 proxectos de investigación na ciencia dos materiais
Por EROSKI Consumer 13 de Xaneiro de 2005

Tixolas que non se pegan, roupa impermeable que deixa transpirar, medios de transporte máis lixeiros e resistentes, pantallas planas e delgadas como un libro ou skis máis estables, son, por citar só algúns, obxectos ou dispositivos que forman parte da nosa vida. Outros, como fármacos ultra-precisos deseñados a medida, músculos artificiais ou metais que se auto-reparan, atópanse aínda en fase de desenvolvemento ou na mente dos científicos e serán pronto tan cotiáns como os xa mencionados. Todos eles son resultado directo da chamada ciencia dos materiais, unha rama científica que nos brindará grandes descubrimentos nos próximos anos.

Que son os novos materiais

A chamada ciencia dos materiais é una rama do coñecemento relativamente recente e moi activa. Os seus equipos de investigación, esencialmente multidisciplinares (físicos, químicos, enxeñeiros, informáticos, biólogos e mesmo médicos), basean o seu traballo no centenar de elementos da táboa periódica, as pezas químicas que compoñen a materia do universo. Con este aparente reducido número de elementos o número de combinacións que se poden realizar é tan grande que pode considerarse que acabamos de abrir as portas dun futuro que actualmente só podemos imaxinar.

Na actualidade, gran parte do que anteriormente se fiaba á intuición ou á boa sorte fundaméntase na aplicación dos constantes descubrimentos en física e química básica, algúns dos cales acaban sendo mesmo premios Nobel. Os deseñadores de novos materiais utilizan sistemas de simulación por computador paira combinar átomos, calcular a súa estrutura molecular e deducir as súas propiedades físicas e químicas. A partir de aí, elaboran os prototipos reais daqueles modelos que teñen máis posibilidades de posuír as propiedades buscadas, co consecuente aforro de tempo e custos.

O desenvolvemento de novos materiais vai deixando obsoletas as clasificacións tradicionais dos materiais, e as liñas de investigación abertas e prometedoras son múltiples. Por exemplo, a fundación COTEC paira a Innovación Tecnolóxica estima que, só na UE, elaboráronse 1.400 proxectos de investigación nesta área nos últimos anos.

Segundo Emilio Castro Otero, investigador do Departamento de Física da Materia Condensada da Universidade de Santiago de Compostela (USC), os novos materiais con que conviviremos na nosa vida diaria durante o século XXI desenvolveranse a medida, co fin de obter un material cunhas propiedades adecuadas paira una aplicación determinada e serán “nano”, intelixentes e biomiméticos, así como energéticamente máis eficientes, reciclables e menos tóxicos a favor do medio ambiente e o desenvolvemento sustentable.

Como son -e serán- os novos materiais

A nanotecnoloxía é un dos novos campos que promete cambios espectaculares na fabricación de novos materiais. A nanotecnoloxía é a ciencia de fabricar e controlar estruturas e máquinas a nivel e tamaño molecular, capaz de construír novos materiais átomo a átomo. A súa unidade de medida, o nanómetro, é a milmillonésima parte dun metro, 10 -9 metros. Algúns destes dispositivos utilízanse na actualidade, por exemplo os nanotubos, pequenas tubaxes conformadas con átomos de carbono puro paira deseñar todo tipo de enxeños de tamaño nanoscópico.

Daniel López, investigador do laboratorio de Nanofabricación de Bell Labs, de Lucent Technologies, fala tamén dos metamateriales, compostos cuxas propiedades físicas son distintas á dos seus constituíntes. Algúns deles fabrícanse con técnicas de nanotecnoloxía similares ás que se usan paira fabricar micromáquinas e circuítos integrados. Segundo López, una vantaxe destes metamateriales é que con eles se poderían fabricar lentes planas que permitirían enfocar a luz en áreas máis pequenas que a lonxitude de onda da luz, co que poderían conseguirse aplicacións no terreo da óptica ou das comunicacións totalmente inéditas. Una destas posibles aplicacións serían os computadores ópticos, moitísimo máis potentes e rápidos que os actuais, aínda que o seu desenvolvemento atópase aínda nunha fase moi preliminar.

Así mesmo, os materiais intelixentes revolucionarán a forma de concibir a síntese de materiais, posto que serán deseñados para responder a estímulos externos, estender a súa vida útil, aforrar enerxía ou simplemente axustarse para ser máis confortables ao ser humano. Así, as investigacións en nanomateriales permitirán no futuro, por exemplo, sistemas de liberación de fármacos ultra-precisos, nanomáquinas para microfabricación, dispositivos nanoelectrónicos, tamices moleculares ultra-selectivos e nanomateriales para vehículos de altas prestacións. Segundo Castro Otero, os materiais intelixentes poderán replicarse e repararse así mesmos, e mesmo, se fose necesario, autodestruirse, reducíndose con iso os residuos e aumentando a súa eficiencia. Entre os materiais intelixentes que se están investigando atópanse os músculos artificiais ou os materiais que “senten” as súas propias fracturas.

Pola súa banda, os materiais biomiméticos buscan replicar ou “mimetizar” os procesos e materiais biolóxicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Os investigadores que traballan neste tipo de materiais perseguen un mellor coñecemento dos procesos utilizados polos organismos vivos para sintetizar minerais e materiais compostos, de maneira que poidan desenvolverse, por exemplo, materiais ultraduros e, á vez, ultraligeros.

A chamada biomedicina, así como outras novas disciplinas, como a biotecnoloxía, a xenómica ou a proteinómica, perseguen tamén a creación de novos materiais que poidan dar lugar ao desenvolvemento, por exemplo, de tecidos e órganos artificiais biocompatibles, células nai, colectores de tamaño molecular e intelixentes para a dosificación controlada de fármacos, proteínas bioactivas e xenes, chips de ADN, dispositivos de bombeo, válvulas altamente miniaturizadas, unha especie de plásticos, os polímeros, altamente biodegradables e medioambientalmente limpos a partir de microorganismos para evitar a utilización de derivados do petróleo como materia prima, e unha infinidade de posibilidades que neste momento se atopan na mente dos científicos.

Pedro Gómez Romeu, investigador do Instituto de Ciencia de Materiais de Barcelona do CSIC, fala tamén de ‘materiais invisibles’: “Son especies e subespecies de materiais que non están á vista, pero que constitúen a esencia de multitude de dispositivos e produtos que cada vez nos parecen máis indispensables”. A súa utilidade reside non tanto nas súas propiedades mecánicas como nas súas propiedades químicas, magnéticas, ópticas ou electrónicas. Aínda que representen unha pequena parte dos dispositivos nos que actúan, cumpren neles un papel estelar. Entre estes materiais invisibles, Gómez Romeu fala por exemplo dos empregados nas baterías, nas pantallas planas de computadores, teléfonos móbiles, paneis electrónicos e outros dispositivos, ou nas películas sensibles aos raios-X.

Electrónica e construción

No terreo da electrónica, os científicos buscan novas aplicacións baseadas en circuítos e dispositivos electrónicos feitos de materiais plásticos, baratos, flexibles e resistentes. Uno dos retos pasa por xubilar ao silicio, o material esencial dos chips, aínda que segue sendo caro e delicado. Desde os anos 80 coñécense as peculiares propiedades de toda unha familia de polímeros orgánicos capaces de conducir a corrente eléctrica en determinadas condicións e impedir o seu paso noutras, aínda que non de forma tan eficiente como o fai o silicio. Con todo, desenvolvéronse recentemente materiais orgánicos de segunda xeración, así como outros materiais inorgánicos e mesmo híbridos orgánico-inorgánicos que se van achegando en eficacia ao silicio, polo que parece só cuestión de tempo que algúns deles cheguen a alcanzar un nivel práctico de aplicación e se empezo a ver, por exemplo, pantallas de televisión de gran tamaño similares a un póster de papel.

O descubrimento das cerámicas superconductoras de alta temperatura, capaces de transmitir a enerxía eléctrica sen resistencia, produciu xa os primeiros sensores superconductores, aínda que aínda se atopan nunha fase de desenvolvemento moi básica. Así mesmo, tamén se investiga na consecución de ferramentas nanotecnológicas e de materiais magnéticos especiais para discos duros e outros soportes de almacenamento de datos, máis fiables, pequenos e de maior capacidade.

Un elemento que está a ser cada vez máis utilizado é o denominado composite, un composto que une dous ou máis materiais, normalmente fibras introducidas nunha resina polimérica (plásticos). O material que as envolve, denominado matriz, dálle volume e protexe ás fibras, co que se conseguen materiais moi resistentes de moi baixo peso, e aínda que aínda non existen datos fiables debido á súa novidade, crese que polas súas características serán moito máis duradeiros que o formigón armado e o aceiro. Até agora, viñéronse utilizando en lugares onde se esixía unha gran resistencia con pouco peso, como nos chasis e carrozarías de coches, motos de carreiras ou avións. Por exemplo, o Airbus 310 utiliza composites en moitas partes da súa estrutura.

Pero os composites non só se quedaron aí. Uno dos exemplos máis claros é o do mundo da construción, onde se empeza a telos cada vez máis en conta. Na cidade de Kobe, en Xapón, tras o terremoto sufrido en 1995, reforzáronse as columnas e soportes de formigón das autoestradas rodeándoas con varias capas de fibra de carbono e polímeros, polo que non houbo que refacelas. No edificio do Pentágono, o composite tamén foi de gran axuda no atentado do 11 de setembro de 2001. O avión secuestrado chocou coa única fachada do cinco que estaba fabricada con composites, sendo o dano menor do que supuxese o choque en calquera outra das fachadas. Hoxe en día, todas as fachadas do Pentágono reforzáronse con composites. E máis preto, no aeroporto de Asturias, terminouse o pasado mes de marzo unha ponte cuxas vigas son de composites. As vigas instaláronse en tres días utilizando un guindastre lixeiro, mentres que do modo tradicional necesitáronse meses e o uso de guindastres pesados.

Seguindo no terreo da construción, o físico italiano Cristoforo Benvenuti, experto en tecnoloxía de materiais, asegura que se podería perder até dez veces menos calor nos edificios se se levantasen energéticamente “intelixentes”, grazas ao desenvolvemento de novos materiais illantes desenvolvidos con tecnoloxías nucleares, como os aceleradores de partículas.

A piezoelectricidad, descuberta fai xa máis dun século por Pierre Curie, segue tamén producindo novos materiais. A piezoelectricidad consiste na aparición, nas caras opostas dun cristal, de cargas eléctricas de diferente signo cando son estirados ou comprimidos e, á inversa. Como exemplo de aplicación práctica desta propiedade poderiamos citar, agora que as estacións de ski atópanse a pleno rendemento, uns esquís compostos de tiras de cerámica piezoeléctrica que diminúen o risco de caídas.

Materiais para o espazo

A industria aeroespacial ha xerado unha gran cantidade de materiais novos para aumentar o rendemento e a vida útil dos seus prototipos, aínda que logo moitos deles transcenderon á vida cotiá: os metais porosos, os materiais compostos, multicapas, as cerámicas reforzadas por fibras, as estruturas laminares de aluminio, o cobre e carbono epoxi, o teflón, as fibras de vidro e de carbono, o lamilloy, o kevlar ou mylar son algúns exemplos destes materiais.

A pesar do desenvolvemento destes materiais, aínda se está lonxe de abandonar a utilización do aceiro, un material cuxa vida útil é duns 35 anos, polo que o ideal sería substituílo ou cando menos engadirlle novos elementos que aumenten o seu rendemento e vida útil. As investigacións recentes encamiñadas a mellorar as propiedades dos aceiros, en particular os tratamentos radioactivos do ferro con base en neutróns, imprimen a este metal propiedades novas e útiles. Así mesmo, están a deseñarse aliaxes que contan cun compoñente que suelda perfectamente as microfisuras que se producen debido aos esforzos. Outro dos cambios importantes na metalurgia aeroespacial está a producirse coa utilización do titanio, e en menor proporción, do circonio. Iso débese a que o titanio, ademais de ser abundante na Terra, non é corrosible e é moito máis resistente e lixeiro que os aceiros.

Pola súa banda, as naves espaciais e os satélites de telecomunicacións deben ser construídos con materiais que poidan resistir as durísimas condicións existentes fose da Terra. “No espazo hai protones e electróns de alta enerxía, radiación ultravioleta, osíxeno atómico, diferenzas de temperaturas extremas, alto baleiro, radiación cósmica galáctica, micro-meteoros, refugallos creados polo home, ademais de moitas outras cousas,” segundo Sheila Thibeault, do Centro Langley de Investigación da NASA.

Por iso, a astronáutica tamén necesita desenvolver novos materiais, por iso é polo que impulse constantemente todo tipo de experimentos, como os da Estación Espacial Internacional, os cales poderían ser utilizados algún día para construír, por exemplo, membranas liviás e resistentes á radiación para protexer aos astronautas nas viaxes espaciais, materiais ópticos que poidan mellorar a fiabilidade dos satélites, polímeros delgados que resistan os impactos do micro-meteoros e que poderían facilitar a construción de grandes antenas plegables, lentes e espellos inflables para captar enerxía solar, veas solares, supernaves espaciais e miles doutros aparellos insospeitados.

Así pois, sen deixar de investigar na mellora dos materiais convencionais, diríase que non convén perder o tren dos materiais avanzados. Como subliña Gómez Romeu, “a diferenza de hai trinta anos, o noso país puxo un pé no espazo, en compañía de países do primeiro mundo, e a nosa sociedade recoñece a necesidade de investir no futuro. O esforzo de moita xente durante décadas propiciou que o nivel de investigación científica e tecnolóxica en España sexa comparable ao doutros países europeos, a pesar do noso inferior nivel de financiamento. A área de ciencia de materiais, pola súa propia natureza, pode servir de ponte entre a investigación científica básica e a aplicación industrial”.