Ciencia y tecnología

Los materiales que fabrican el futuro

Los materiales que fabrican el futuro
MIKEL CASAL

Los científicos se han aplicado durante el último siglo en el descubrimiento de componentes que permitan avanzar hacia un mundo más cómodo y sostenible

MAURICIO-JOSÉ SCHWARZ

Durante la mayor parte de la historia humana, los materiales al alcance de nuestros ancestros se mantenían sin cambios durante siglos. El descubrimiento y el dominio del bronce, una revolución de profundas implicaciones alrededor del 3.000 antes de Cristo, perduró durante casi dos milenios, hasta que llegó el hierro.

Hoy surgen continuamente nuevos componentes: superconductores, materiales para detectar otras sustancias, capaces de convertir un tipo de energía en otra u ofrecer diversas ventajas... Las posibilidades son, materialmente, incontables.

Desde el siglo XVII, las exigencias de la revolución industrial fomentaron la investigación sobre nuevas soluciones tanto a problemas antiguos como nuevos. El surgimiento de los plásticos a lo largo del siglo XX demostró que el mundo estaba abierto a materiales novedosos. Además, las necesidades bélicas de la primera y segunda Guerra Mundial, así como de la Guerra Fría, llevaron a la diferenciación de la ciencia de materiales como un área de estudio interdisciplinaria, que incluye a otras ramas que antes se dedicaban a esta especialidad, como la metalurgia y la cerámica, además de física, química y varias ingenierías: química, mecánica, eléctrica y civil.

Para mediados del siglo XX era claro que no se podrían hacer ciertas cosas, como viajar al espacio, con los materiales con los que se contaba y varias universidades empezaron a hablar de campos como metalurgia y ciencia de materiales. Finalmente, la Universidad Northwestern estableció el primer departamento con el nombre de Ciencia de los Materiales en 1955, y la rama floreció a partir de la década de 1960.

Si en el pasado los seres humanos dependíamos del hallazgo, generalmente por azar, de nuevos materiales para aprovechar sus propiedades, la nueva disciplina ve el proceso al revés: identifica lo que se necesita, como resistencia al calor, conductividad, capacidades físicas o químicas que se consideren técnica y económicamente ventajosas, y se utiliza el conocimiento para desarrollar o encontrar el material que las satisfaga.

Estudio previo

Esto requiere, como plataforma de lanzamiento, el estudio a fondo de las propiedades y el desempeño de los materiales ya conocidos y, sobre todo, las causas por las cuales tiene esas características: su estructura molecular, sus átomos, sus propiedades eléctricas, mecánicas, lo que se conoce como caracterizar un material.

Una vez identificado, se tienen las bases para modificarlo a fin de conseguir ciertos resultados o actuar sobre otros materiales y ver cómo se pueden optimizar, imitar, mejorar o recrear de manera más eficiente en lo técnico y en lo económico.

Así, por ejemplo, cuando se descubrió que el amianto o el asbesto presentaban un peligro muy real de provocar cáncer y otros trastornos en el aparato respiratorio, fue necesario encontrar una alternativa. El amianto era un material singular y muy apreciado debido a que era una fibra y un cristal, que podía cardarse y tejerse o compactarse para distintas aplicaciones, y a su capacidad altamente resistente al fuego, pero sus minúsculos cristales, transportados por el aire, atacaban las vías respiratorias. La necesidad de un sustituto llevó a la creación, entre otros, de las telas de sílice amorfa, una especie de fibra de vidrio que tiene características de capacidad aislante, flexibilidad y resistencia a altas temperaturas. No es un sustituto exacto, pero permitió facilitar la transición a un mundo sin asbesto.

El sílice, el humilde componente principal de la arena que se utilizó fundamentalmente para la producción de vidrio, cerámicas y cemento, se convirtió, una vez estudiado por la ciencia de materiales, en el ingrediente con el que se crean los microprocesadores que permitieron la revolución informática en todas sus expresiones, desde los empleados en la llegada a la Luna hasta los que hoy son el corazón de nuestros ordenadores y teléfonos inteligentes.

El silicio también es la base de numerosos materiales nuevos con aplicaciones inesperadas, como los recubrimientos que repelen el hielo, algo fundamental para instalaciones de generación eléctrica como las turbinas eólicas, pero también para los aviones, en los que la acumulación de hielo en sus mecanismos y alas puede representar un peligro tan grande que hace que se pierdan miles de horas de vuelo cada año. Su creación estuvo precedida de una nueva teoría de la física, la localización del estrés, que permite a los investigadores afinar y predecir las propiedades de nuevos materiales, de modo que la ciencia y la tecnología se retroalimentan.

Nuevos caminos

Solo en 2018, algunos de los descubrimientos más interesantes nos muestran los distintos caminos que están siguiendo los científicos. Así, se produjo una esponja hecha de madera a la que se le han retirado casi todos los componentes menos la celulosa, y que puede absorber el petróleo del agua para limpiar derrames. Un grupo de Estocolmo pudo producir un biomaterial artificial hecho de nanofibras de celulosa que es más fuerte que la tela de araña, hasta entonces el más resistente conocido. Otro ejemplo es un polímero capaz de autorrepararse en caso de una rotura o daño, utilizando el carbono del aire. Una nueva aleación de oro y platino, por su parte, consiguió ser la más fuerte de la historia, 100 veces más resistente al desgaste que el acero de alta fortaleza.

Hay una nueva forma de la silicona que podría usarse en baterías con capacidades de tres a seis veces superiores a las de las más eficientes que hay hoy; plásticos infinitamente reciclables que prometen acabar con la basura plástica y sus efectos; recubrimientos para el vidrio que a altas temperaturas le oscurece evitando la sobrecarga de los sistemas de climatización..., y todo esto sin entrar en el reino de los nanomateriales, los materiales bidimensionale (con el espesor de una sola molécula), como las variantes del grafeno, y muchos otros que prometen un futuro radicalmente distinto al presente... y muy probablemente mejor.

Inteligencia artificial

La ciencia de materiales fue el terreno de experimentación de una aplicación novedosa de la inteligencia artificial o, más exactamente, del 'machine learning'. Investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory alimentaron a un algoritmo llamado Wortd2vec con 3,3 millones de resúmenes de artículos científicos. Analizando únicamente las relaciones entre palabras, sin comprender, esto es obvio, lo que significaban, el algoritmo fue capaz de predecir descubrimientos de nuevos materiales termoeléctricos e incluso de sugerir investigaciones sobre componentes desconocidos como candidatos para realizar tareas termoeléctricas.