Los diseñadores de nuevos materiales utilizan sistemas de simulación por computadora para calcular la estructura molecular que tendría cierta combinación de átomos, y deducir de ella sus propiedades físicas y químicas. Esto les permite elaborar, solamente, los prototipos reales de aquellos modelos que tienen más posibilidades de poseer las propiedades buscadas, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes.
¿Cómo se diseña un material con propiedades excepcionales? Antaño, descubrir uno de estos materiales era producto del azar, de la suerte o de la intuición. A modo de ejemplo, podemos acordarnos del modo en que Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del caucho, a finales del siglo XIX; tras varias décadas de infructuosa investigación sobre un método para endurecer el caucho, realizados en la cocina de su domicilio, su esposa, harta ya de soportar el nauseabundo olor de los experimentos del marido, obligó a éste a realizar la solemne promesa de abandonar sus estudios. Un día en que Mr. Goodyear, contraviniendo su promesa, estaba amalgamando caucho y azufre, se vio sorprendido por la llegada inesperada de su mujer, y se deshizo de lo que tenía entre manos echándolo al fuego. Por fin halló lo que estaba buscando; su descubrimiento resultó fundamental para construir neumáticos, impermeables, fundas aislantes de cables y otros muchos objetos, hoy en día, indispensables en nuestra sociedad.
¿Cómo se diseña un material con propiedades excepcionales? Antaño, descubrir uno de estos materiales era producto del azar, de la suerte o de la intuición. A modo de ejemplo, podemos acordarnos del modo en que Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del caucho, a finales del siglo XIX; tras varias décadas de infructuosa investigación sobre un método para endurecer el caucho, realizados en la cocina de su domicilio, su esposa, harta ya de soportar el nauseabundo olor de los experimentos del marido, obligó a éste a realizar la solemne promesa de abandonar sus estudios. Un día en que Mr. Goodyear, contraviniendo su promesa, estaba amalgamando caucho y azufre, se vio sorprendido por la llegada inesperada de su mujer, y se deshizo de lo que tenía entre manos echándolo al fuego. Por fin halló lo que estaba buscando; su descubrimiento resultó fundamental para construir neumáticos, impermeables, fundas aislantes de cables y otros muchos objetos, hoy en día, indispensables en nuestra sociedad.
Imagen de microscopía electrónica de niobato de estroncio y bismuto, un material ferroeléctrico de última generación
En la actualidad, gran parte de lo que en tiempos pretéritos se fiaba a la intuición, o a la buena suerte, se fundamenta en una paciente labor de comprensión de los mecanismos por los que se unen los átomos, las moléculas, los cristales e incluso la materia viva. Gran parte de los nuevos materiales no son más que el resultado de aplicar lo que las investigaciones en física y química básica descubren constantemente. Es sorprendente constatar cuántos de los descubrimientos galardonados con el premio Nobel son la piedra angular de los inventos actuales; es fundamental conocer cuáles son los mecanismos por los que los materiales tradicionales poseen unas determinadas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas para poder desarrollar nuevos materiales que posean estas mismas propiedades mejoradas, o bien una combinación de varias de ellas.
Por poner únicamente dos ejemplos, en el año 2000 se concedieron los premios Nobel de química a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por sus investigaciones sobre polímeros plásticos que conducen la electricidad. Estos plásticos se están utilizando actualmente en la fabricación de recubrimientos anti-estáticos para películas fotográficas, en pantallas protectoras de radiación en ordenadores y en ventanas inteligentes que pueden disminuir la luz solar. Además, han ayudado a desarrollar plásticos con propiedades semiconductoras, que pueden ser utilizados en las pantallas pequeñas de los teléfonos móviles, en mini-televisiones y en otros dispositivos análogos. Por su parte, los galardonados con el Nobel de física ese mismo año fueron Zhores I. Alferov y Herbert Kroemer por el desarrollo de estructuras de varias capas de materiales semiconductores que posibilitan la construcción de dispositivos rápidos y de pequeño tamaño que son esenciales, por ejemplo, para la construcción de transistores de tamaño diminuto con los que funcionan los teléfonos móviles, los láseres de los lectores de CD, los lectores de códigos de barras y otros aparatos. Junto a estos científicos, fue galardonado Jack Kilby por la invención del chip, el circuito integrado, constituyente básico de cualquiera de los aparatos electrónicos de nuestros días, desde la más modesta lavadora al más sofisticado satélite de telecomunicaciones.
Fotodiodo lector de códigos de barras, construido mediante técnicas de superposición de capas semiconductoras
Por poner únicamente dos ejemplos, en el año 2000 se concedieron los premios Nobel de química a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por sus investigaciones sobre polímeros plásticos que conducen la electricidad. Estos plásticos se están utilizando actualmente en la fabricación de recubrimientos anti-estáticos para películas fotográficas, en pantallas protectoras de radiación en ordenadores y en ventanas inteligentes que pueden disminuir la luz solar. Además, han ayudado a desarrollar plásticos con propiedades semiconductoras, que pueden ser utilizados en las pantallas pequeñas de los teléfonos móviles, en mini-televisiones y en otros dispositivos análogos. Por su parte, los galardonados con el Nobel de física ese mismo año fueron Zhores I. Alferov y Herbert Kroemer por el desarrollo de estructuras de varias capas de materiales semiconductores que posibilitan la construcción de dispositivos rápidos y de pequeño tamaño que son esenciales, por ejemplo, para la construcción de transistores de tamaño diminuto con los que funcionan los teléfonos móviles, los láseres de los lectores de CD, los lectores de códigos de barras y otros aparatos. Junto a estos científicos, fue galardonado Jack Kilby por la invención del chip, el circuito integrado, constituyente básico de cualquiera de los aparatos electrónicos de nuestros días, desde la más modesta lavadora al más sofisticado satélite de telecomunicaciones.
Fotodiodo lector de códigos de barras, construido mediante técnicas de superposición de capas semiconductorasAspecto de uno de los equipos utilizados en la medida de las propiedades mecánicas de los polímeros
Lámina delgada de YBCO, una de las cerámicas superconductoras de alta temperatura
Los diseñadores de nuevos materiales utilizan sistemas de simulación por computadora para calcular la estructura molecular que tendría cierta combinación de átomos, y deducir de ella sus propiedades físicas y químicas. Esto les permite elaborar, solamente, los prototipos reales de aquellos modelos que tienen más posibilidades de poseer las propiedades buscadas, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes.
Una de las propiedades físicas que produce una buena cantidad de inventos sorprendentes en el campo de los nuevos materiales es la piezoelectricidad, descubierta hace ya más de un siglo por Pierre Curie. 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, expandirse o contraerse al ser sometidos a cierta diferencia de potencial. Como ejemplo de aplicaciones de esta propiedad a campos de actividad dispares, pueden citarse dos; por un lado, la última generación de esquíes que disminuyen el riesgo de caídas cuentan con unas tiras de cerámica piezoeléctrica embebidas en la tabla, de forma que, durante el deslizamiento por una pendiente nevada, la vibración mecánica se convierte en una disipación de corriente eléctrica que, a su vez, se convierte en un incremento de la superficie del esquí en los bordes; al aumentar el tiempo que pasan los esquíes en contacto con la nieve se controla mejor el deslizamiento. Por otro lado, el efecto piezoeléctrico se está intentando aprovechar para desarrollar músculos artificiales, que formen parte de piernas y brazos ortopédicos con capacidad funcional.
Una de las propiedades físicas que produce una buena cantidad de inventos sorprendentes en el campo de los nuevos materiales es la piezoelectricidad, descubierta hace ya más de un siglo por Pierre Curie. 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, expandirse o contraerse al ser sometidos a cierta diferencia de potencial. Como ejemplo de aplicaciones de esta propiedad a campos de actividad dispares, pueden citarse dos; por un lado, la última generación de esquíes que disminuyen el riesgo de caídas cuentan con unas tiras de cerámica piezoeléctrica embebidas en la tabla, de forma que, durante el deslizamiento por una pendiente nevada, la vibración mecánica se convierte en una disipación de corriente eléctrica que, a su vez, se convierte en un incremento de la superficie del esquí en los bordes; al aumentar el tiempo que pasan los esquíes en contacto con la nieve se controla mejor el deslizamiento. Por otro lado, el efecto piezoeléctrico se está intentando aprovechar para desarrollar músculos artificiales, que formen parte de piernas y brazos ortopédicos con capacidad funcional.
Lámina delgada de YBCO, una de las cerámicas superconductoras de alta temperaturaNo sólo deporte y ortopedia se están beneficiando del uso de los nuevos materiales, también construcción, electrónica, ingeniería y prácticamente todas las áreas de actividad industrial. En construcción, los puentes y edificios más avanzados cuentan con sensores, insertos en las vigas y zonas estructurales, que detectan, en todo momento, el esfuerzo que están realizando, lo que permite diagnosticar, de manera prematura, cualquier fallo y evitar la consiguiente catástrofe. En ingeniería, se están diseñando aleaciones que cuentan con un componente que suelda perfectamente las microfisuras que se producen debido a los esfuerzos, lo que revolucionará las industrias de construcción de automóviles y aviones, por citar sólo dos ejemplos. En electrónica, la construcción de transistores orgánicos, basados en materiales que aúnen las excelentes propiedades de flexibilidad y facilidad de fabricación de los plásticos con las propiedades semiconductoras del silicio, permitirán la fabricación de pantallas de televisión de gran tamaño que se podrán enrollar como si de un póster se tratara, y colocarlas en cualquier parte; o papel electrónico, que podrá conectarse a Internet y almacenar, por ejemplo, el ejemplar diario del periódico sin necesidad de recurrir al costoso y ecológicamente caro papel tradicional. El descubrimiento de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, capaces de transmitir la energía eléctrica sin la disipación de energía producida por la resistencia, ha producido ya los primeros sensores superconductores, en la actualidad solamente útiles en el ámbito científico, aunque ya se sueña con construir ordenadores superconductores. También se investiga en la consecución de materiales magnéticos de propiedades apropiadas para los discos duros y otros soportes de almacenamiento de datos, más fiables, más pequeños y de mayor capacidad; y en sistemas alternativos de almacenamiento informático, mediante la utilización de herramientas nanotecnológicas.
Circuitos integrados de diversos tamaños, capacidades y prestaciones
Es precisamente esta ciencia, la nanotecnología, la que está avanzando a pasos agigantados en la búsqueda de nuevos materiales. Se trata de una disciplina muy reciente que busca la consecución de pequeñas máquinas de tamaño molecular, capaces de construir nuevos materiales átomo a átomo. Desde el descubrimiento, a finales de la década de los 80, de los primeros fullerenos -moléculas de carbono puro que tienen la apariencia estructural de un balón de fútbol-, se han seguido obteniendo estructuras de este tipo, algunas dotadas de propiedades mecánicas y eléctricas sorprendentes. Actualmente, los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro, se están utilizando para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico, que funcionan como diminutos robots de construcción de nuevos materiales.
Día a día se están descubriendo nuevos materiales, pese a todo, el número de combinaciones químicas que se pueden realizar con el centenar de elementos de la tabla periódica es tan enorme que puede considerarse, con toda propiedad, que acabamos de empezar a descubrir sus secretos. En un futuro próximo, nuestro entorno estará rodeado de objetos construidos con nuevos materiales, de propiedades maravillosas que actualmente sólo podemos sospechar, materiales construidos gracias a ciertas dosis de suerte e intuición y muchas horas de diseño asistido por ordenador.
Microfotografía de uno de los componentes de los aceros, la perlita. Los ingenieros de materiales cambian las propiedades mecánicas del acero modificando su estructura interna
Comportamiento de una pieza de material fotocrómico al ser expuesto gradualmente a la luz solar. Estos compuestos tienen muchas aplicaciones en el campo de la fotónica y la óptica computacional como sensores luminosos, pues presentan distinta absorción luminosa a distintas longitudes de onda
Circuitos integrados de diversos tamaños, capacidades y prestacionesEs precisamente esta ciencia, la nanotecnología, la que está avanzando a pasos agigantados en la búsqueda de nuevos materiales. Se trata de una disciplina muy reciente que busca la consecución de pequeñas máquinas de tamaño molecular, capaces de construir nuevos materiales átomo a átomo. Desde el descubrimiento, a finales de la década de los 80, de los primeros fullerenos -moléculas de carbono puro que tienen la apariencia estructural de un balón de fútbol-, se han seguido obteniendo estructuras de este tipo, algunas dotadas de propiedades mecánicas y eléctricas sorprendentes. Actualmente, los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro, se están utilizando para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico, que funcionan como diminutos robots de construcción de nuevos materiales.
Día a día se están descubriendo nuevos materiales, pese a todo, el número de combinaciones químicas que se pueden realizar con el centenar de elementos de la tabla periódica es tan enorme que puede considerarse, con toda propiedad, que acabamos de empezar a descubrir sus secretos. En un futuro próximo, nuestro entorno estará rodeado de objetos construidos con nuevos materiales, de propiedades maravillosas que actualmente sólo podemos sospechar, materiales construidos gracias a ciertas dosis de suerte e intuición y muchas horas de diseño asistido por ordenador.
Eurix Janeth Gómez Vera CI 18392113
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