Hasta hace poco creíamos saber de qué se componía el mundo que nos rodea. Sabíamos que las casas se construían con cemento, ladrillo, concreto y más. Sabíamos que la ropa podía ser de algodón, seda, lino, etc. o que los vehículos se construyen con diferentes metales, y así eternamente. Pero ¿qué pasaría si te dijera que todo esto puede cambiar? Los materiales que hoy componen todo lo que se fabrica pueden ser distintos en unos años. Estamos en un momento único para la ciencia y la llegada de los materiales inteligentes son un excelente ejemplo de ello.

Los materiales inteligentes vienen a cambiar muchas de las industrias que existen. Son materiales que tienen la capacidad de reaccionar ante distintos estímulos externos. Y esto puede significar ligeras mejoras bajo ciertos contextos y grandes transformaciones bajo otros. Por ello, en Futuro Eléctrico te contamos todo lo que debes saber sobre materiales inteligentes, sus posibles impactos y aplicaciones.

¿Qué son los materiales inteligentes?

Materiales inteligentes qué son

Los materiales inteligentes son también conocidos como materiales activos o multifuncionales. Tienen la capacidad de reaccionar, de forma reversible o irreversible, ante diferentes estímulos externos. Es decir, al recibir un estímulo puede modificar alguna de sus propiedades, respondiendo según su configuración. El objetivo es que todas las facetas del material queden cubiertas, lo que incluye la mecánica, química, eléctrica, óptica, térmica y más.

Los materiales inteligentes reaccionan a distintos estímulos externos, pero los principales son: cambios de temperatura, compuestos químicos, variaciones de humedad y de presión, pH, corriente eléctrica y campos magnéticos. Frente a estos detonantes, los materiales pueden variar en su forma, tamaño, viscosidad, color, disposición cristalográfica y opacidad.

Al hablar de materiales inteligentes, no solo se refiere a la creación de algo nuevo, sino que también hacen alusión al mejoramiento de los que ya existen. Tal es el caso de los superconductores, que nació con un nuevo conjunto de materiales de arseniuro de hierro o, también, de las mejoras en las pantallas de cristal líquido (LCD), con la aparición de los OLED (Organic Light Emitting Diode). Estos últimos son con base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos.

Tampoco existe un único tipo o característica en estos materiales. Pueden ser duros, flexibles, blandos y fluidos. Además, se manifiestan en naturalezas orgánicas, inorgánicas y metálicas.

Por lo tanto, pueden ser usados en el diseño y desarrollo de sensores, actuadores, productos multifuncionales, robots y muchas más. Además, permiten la creación de estructuras inteligentes que, combinando estos materiales, pueden autodiagnosticarse y modificarse según las condiciones que les sean óptimas.

¿Es difícil de visualizar? Imagina la ropa deportiva. Con ciertas modificaciones pueden tener válvulas de ventilación que reaccionen a la temperatura y la humedad. Se abrirían cuando el usuario suda y se cierran cuando el cuerpo se enfría. O, tal vez, piensa en un dispositivo robótico que se implante en una persona. Este puede dejar fluir un medicamento al detectar una enfermedad y se degrade al cumplir su función.

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Tipos de materiales inteligentes

Materiales inteligentes tipos

La invención de materiales inteligentes evoluciona cada día. La clasificación de estos materiales se hace según su capacidad de reaccionar a determinados estímulos. Dependiendo del estímulo que reciba el material, así será su respuesta. Como mencionamos antes, estos estímulos pueden relacionarse con la luz, la temperatura, el pH, compuestos químicos, humedad, presión y más.

Las funciones que realizan estos materiales actúan casi como una programación específica, lo que también amplía sus posibilidades de uso en diferentes sectores. Además, algunos tienen la capacidad de volver al estado inicial y otros no. Esta propiedad los clasifica como reversibles o no reversibles.

Materiales piezoeléctricos

Son aquellos materiales que al ser sometidos a tensiones mecánicas generan una polarización eléctrica. Como consecuencia, aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Por el contrario, si reciben un impulso eléctrico cambian su forma. En otras palabras, pueden convertir la energía mecánica en eléctrica y viceversa.

Este tipo de materiales suelen ser aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores y micrófonos. Además, existen polímeros piezoeléctricos en forma de films que son incorporados a plásticos y composites, como el PVDF. Usualmente este efecto es reversible; cuando el material deja de ser sometido al estímulo, recupera su forma.

Materiales con memoria de forma

Estos materiales inteligentes tienen la capacidad de recordar su forma y volver a ella después de haber sido deformados. El cambio de forma se puede producir por un cambio térmico, magnético o de humedad. Pueden deformarse y volver a su forma original una infinidad de veces sin deteriorarse. Usualmente, son aleaciones, cerámicas, polímeros y aleaciones ferromagnéticas.

Pueden dividirse de la siguiente manera:

  • Materiales con memoria de forma: Son capaces de recuperar su forma tras ser deformados. Ejemplo: Nitinol, una aleación del níquel y el titanio, que responde ante cambios térmicos.
  • Materiales autoreparables: Son materiales capaces de recuperarse de un daño sufrido. Para recuperarse suelen necesitar un estímulo de temperatura.
  • Materiales de cambio de volumen: Capaces de modificar su tamaño ante un elemento externo. Es el caso de los metales con un alto coeficiente de dilatación. Otro ejemplo es el hidrogel, que puede aumentar su volumen hasta 400 veces al estar en contacto con el agua.

Materiales electroreológicos y magnetoreológicos

Al aplicarse un campo magnético o cambios eléctricos, responden con un cambio en su comportamiento reológico. Se conforman de partículas magnetizables finamente divididas y suspendidas en un líquido portador, como el aceite mineral, el queroseno o un sólido portador de elasticidad. Su naturaleza suele ser reversible.

Son empleados en el desarrollo de sensores, músculos artificiales y mecanismos orgánicos artificiales. También se utilizan en amortiguadores para evitar vibraciones sísmicas en puentes o rascacielos.

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Materiales fotoactivos

Este tipo de materiales inteligentes actúan emitiendo luz ante la acción de diferentes estímulos externos. Dentro de este grupo se encuentran los siguientes tipos:

  • Fotoluminiscentes: La luminiscencia es la emisión de luz mediante un proceso que no se debe a las altas temperaturas. Es, más bien, una «luz fría». En este caso, la luminiscencia es activada por origen electromagnético, ante determinada longitud de onda (rayos ultravioletas, rayos X o catódicos)
  • Electroluminiscentes: Son materiales que consiguen emisión de luz al conectarlos a corriente eléctrica. Esto también permite controlar su funcionamiento.
  • Catodoluminiscencia: Tienen origen en el bombardeo de electrones acelerados.

Sus usos se encuentran en sistemas de señalización y seguridad. También se usan en lámparas planas, en combinación de piezas plásticas con técnicas como IMB (In Mold Decoration)

Materiales cromoactivos

Son materiales que modifican su color ante cambios te temperatura, luz, presión o fenómenos eléctricos. El cambio de color es usualmente reversible y es inducido fotoquímica o térmicamente. Dependiendo del estímulo, se activa el material y cuenta con diferentes tipos.

  • Termocrómicos: Cambian reversiblemente de color con la temperatura. El cambio se da según un rango de temperaturas y en un límite establecido. Existe una variedad de colores y temperatura, lo que los hace atractivos en el ámbito industrial. Usualmente son compuestos semiconductores. Sus aplicaciones incluyen la cadena de frío, seguridad, elementos peligrosos, microondas, jarras y juguetería.
  • Electrocrómicos: Pueden cambiar de color al pasar por ellos una determinada corriente eléctrica. Se usa en la automoción, espejos retrovisores antideslumbrantes y pantallas.
  • Fotocrómicos: Cambian reversiblemente de color tras la exposición a una determinada luz. Usualmente, se activan utilizando longitudes de onda ultravioleta, y desaparecen cuando cesa la luz. Es decir, no se ven en la oscuridad. Se suelen usar en seguridad tinta invisible, detección de documentos, zapatos, cordones y óptica.
  • Hidrocrómicos: El cambio de color ocurre cuando el material entra en contacto con el agua.
  • Halocrómicos: Son capaces de cambiar de color ante cambios de pH. Suelen utilizarse en laboratorios químicos como indicadores de pH.

Ejemplos de materiales inteligentes

Materiales inteligentes ejemplos

Los materiales inteligentes se están trabajando desde diferentes sectores con diversos objetivos. Hay algunos que están más avanzados y otros cuyo desarrollo está en las fases iniciales.

Algunos de estos materiales son el estaneno, que podría convertirse en el supercondensador del futuro; el dióxido de vanadio, que tiene la capacidad de transmitir electricidad sin emitir calor; el cemento termocrómico, que promete aumentar la eficiencia energética de las viviendas; y los termoplásticos, especialmente el ácido poliláctico y el acrilonitrilo butadieno estireno, que se están usando en la impresión 3D en sectores como el diseño, la medicina o arquitectura.

Además, España cuenta con el Centro de Materiales de Barcelona y el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, que trabajan en desarrollar materiales magnéticos nanoestructurados, materiales superconductores y biomateriales. A continuación, mencionamos algunos ejemplos ya desarrollados de materiales inteligentes:

Nitinol

Es una aleación metálica compuesta de níquel y titanio. Responde a los campos térmicos. Es decir, si se le hace pasar una corriente eléctrica hasta que alcance una temperatura determinada, se encogerá el 6 % de su longitud. Cuando se enfríe recuperará su longitud. Se suele usar en la medicina y robótica. Además, encontramos válvulas de control de nitinol en duchas y cafeteras.

Tela de araña sintética

Es un material cinco veces más fuerte que el acero que posee una gran elasticidad. Se suele usar en la ropa a prueba de balas, piel artificial para quemados o adhesivos resistentes al agua.

Hormigón que se repara a sí mismo

Científicos del departamento Concrete Studies de la Universidad Técnica de Delft están desarrollando un hormigón que se regenera. Es una mezcla del cemento tradicional con cepas sintéticas de la bacteria Bacillus pseudofirmus y lactato de calcio. Cuando entran en contacto con agua, estas bacterias se alimentan del calcio y, tras la digestión, secretan un material que puede sellar las fisuras del hormigón.

Seda reforzada con carbono

Yingying Zhang e investigadores de la Universidad de Tsinghua, en China, combinaron la seda con el grafeno. Este último se compone de carbono puro lo que le agrega resistencia, ligereza y conductividad. Los científicos alimentaron a los gusanos de seda con hojas rociadas con mezclas acuosas con grafeno. Como resultado, produjeron capullos de seda de alta resistencia capaces de conducir electricidad. Sus aplicaciones están en la ropa industrial, militar y los wearables.

Grafeno

Es uno de los más prometedores. Tiene múltiples características como una gran capacidad para conducir la electricidad y el calor. Además, se le pueden introducir modificaciones químicas para que cambie sus propiedades eléctricas frente a diferentes estímulos. Tiene usos casi ilimitados. Entre ellos, baterías con más autonomía, células solares fotovoltaicas, ordenadores más rápidos, más resistencia en los edificios o miembros biónicos.

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Metamateriales

Son fabricados con propiedades físicas insólitas. Pueden, por ejemplo, curvar las ondas electromagnéticas de la luz para crear índices de refracción negativos. Este tipo de materiales inteligentes son investigados en campos variados como el militar, la óptica y la telefonía.

Shrilk

Fue creado por investigadores de la Universidad de Harvard. El componente principal del Shrilk es la quitina y es considerado como un sustituto ideal del plástico. Se descompone en solo dos semanas de su uso y funciona como estimulante para el crecimiento de las plantas.

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Aplicaciones de los materiales inteligentes

Materiales inteligentes aplicaciones

Materiales inteligentes en la construcción

Existe una multitud de investigaciones encaminadas a la mejora de los materiales utilizados en construcción. El objetivo es lograr mejoras a nivel de resistencia, eficiencia y reducción de costos del cemento, el hormigón y el asfalto. Por ejemplo, en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, la investigadora Gloria Pérez está trabajando para desarrollar un cemento ecoeficiente y termocrómico con nanotecnología. Este cemento podría cambiar de color con la temperatura. Por lo tanto, podría usarse como revestimiento inteligente.

Por su parte, en la Universidad Tecnológica de Delft, el ingeniero Erik Schlangen está trabajando para aumentar la vida útil del asfalto. Para ello, le está agregando pequeñas fibras de lana de acero que pueden derretir el asfalto cuando se les proporciona corriente eléctrica. De esta forma, puede recomponer el asfalto y la grava de las carreteras.

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Además, la científica Ana Guerrero, doctora en ciencias químicas del IETcc, trabaja para crear un hormigón que tenga la capacidad de repararse a sí mismo desde el interior. Para ello, les está incorporando microcápsulas de sílice rellenas de epoxi, que se rompen cuando se produce una fisura en el hormigón.

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Materiales inteligentes en la medicina

La unión entre la tecnología y la biología es conocida como biónica. Dentro de este campo, la llegada de los materiales inteligentes también ha sido revolucionario, pues ha permitido nuevos desarrollos y nuevos horizontes. Entre estos revolucionarios desarrollos se encuentran los realizados por Stina Simonsson, de la facultad de ciencias de la salud de la Universidad de Gotemburgo, Suecia.

La científica logró recoger células de cartílago de pacientes que han pasado por una operación de rodilla. Luego, las regeneró mediante su manipulación en un laboratorio. Lo que se logró fue que volvieran al estado de células madre pluripotentes; es decir, que tienen la capacidad de ser células de muchos tipos distintos. Además, las células se pueden encapsular en un compuesto de celulosa nanofibrilado que permite que se extiendan posteriormente.

Otros avances fueron logrados por científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Rey Abdalá de Arabia Saudita. Ellos desarrollaron un hidrogel conductor de electricidad, elástico y autocurativo. Este material contiene agua, metal y MXene. Todo esto le brinda las capacidades de estirarse más de un 3 400 %, volver rápidamente a su forma original y adherirse a diferentes superficies. Puede usarse en el desarrollo de parches biodegradables y dispositivos robóticos sensibles al tacto.

Sus creadores también aseguran que, adheridas a ciertas partes de la piel, pueden generar señales electrónicas. Además, podría liberar medicamentos para promover la curación. Se podrían aplicar interna o externamente.

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Materiales inteligentes en la tecnología

En las diversas ramas de la tecnología, incluyendo la electrónica y la robótica, los materiales inteligentes también encuentran un lugar especial. Por ejemplo, son importantes para amplificar la eficiencia de las baterías. Tal es el enfoque del investigador Gonzalo Murillo, del Centro de Estudios Estratégicos e Internacionales. El científico está desarrollando un nuevo tipo de baterías que convierten la energía mecánica en electricidad. Esto por medio de materiales piezoeléctricos que transforman la vibración en voltaje. Con esta tecnología se podrían alimentar wearables y audífonos.

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Por otra parte, científicos de la Universidad de California están desarrollando un material que puede repararse solo diseñado, especialmente, para las pantallas de los teléfonos inteligentes. El material contaría con polímeros capaces de cerrar las grietas en una pantalla tras un impacto. Se podría estirar hasta 50 veces su tamaño y sería conductor de electricidad. Su funcionamiento se asemeja a la piel humana cuando cicatriza para cerrar una herida abierta.

Dentro de la impresión 3D, ingenieros del MIT han desarrollado un material para sustituir a los polímeros derivados del petróleo. En cambio, han desarrollado un tipo de celulosa vegetal. Es renovable, biodegradable, más barato y resistente. Además, tiene propiedades antimicrobianas. Estos materiales blandos se pueden usar en los extrusores de las impresoras y se solidifican rápidamente.

La robótica no podía dejar de mencionarse. Con la llegada de los materiales inteligentes, se está avanzando en el desarrollo de la robótica blanda. Por ejemplo, Jonathan Rossiter, profesor de Robótica en la University of Bristol, trabaja en la creación de nuevos materiales que ayuden a curar enfermedades.

Uno de estos materiales es una piel robótica que se integra con la piel humana: puede mimetizarse con el ambiente y regular la temperatura corporal. También investiga cómo sustituir la ropa convencional por una especie de segunda piel que se adapte al cuerpo.

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Materiales inteligentes en la investigación espacial

Hemos llegado a un nuevo auge de la investigación y exploración espacial. Bajo este contexto, la investigación y desarrollo de nuevos artefactos, nuevas naves, nuevos objetos y nuevos materiales para explorar el espacio ganan mayor relevancia.

Entre los materiales inteligentes que se han desarrollado con miras a la exploración espacial encontramos uno desarrollado por la NASA. Bajo la dirección de Raúl Polit, por medio de la impresión 3D, se desarrolló un nuevo tipo de tejido. Este tejido se caracteriza porque en la parte superior refleja luz y mantiene alejado el calor; en su parte inferior tiene un objeto aislante que protege el objeto en su interior. Se fabrica con impresión 4D, que además de las piezas tridimensionales, permite crear funciones para el material.

Desde la NASA también se está trabajando con polímeros, metales y otros polvos que se pueden usar en revestimientos, adhesivos, espumas, películas delgadas, composición y resinas.

Materiales inteligentes en la industria textil

Wen Wang e investigadores del instituto de Massachusetts están trabajando en la creación de nuevas prendas para el entrenamiento deportivo. Estas prendas tendrían la característica de ser transpirables con solapas de ventilación que respondan al calor y el sudor.

Las prendas se revisten con células microbianas vivas que responden a los cambios de humedad contrayéndose o expandiéndose. Además, buscan combinar células con herramientas genéticas para implementar otras funcionalidades como la fluorescencia o liberación de olores.

Dentro de la industria textil existe una enorme variedad de desarrollos. Por ejemplo, se habla de textiles para regular la temperatura para uso en aviación; sistemas que evitan la formación de hielo en los alerones de los aviones y telas sensibles a la humedad. También se habla de telas con calefacción, para mayor comodidad de los pacientes en la medicina, fundas para asientos de autos con propiedades de calefacción; ropa que monitorea la salud del paciente y revestimientos fluorescentes para alfombras.

Entre los posibles desarrollos en el sector también se habla de textiles que incorporan microcápsulas; cosmetotextiles con aromas incorporados; textiles crómicos; textiles que conducen electricidad; con cambio de forma; antimicrobianos; de protección a los rayos UV; con microcápsulas que dosifican medicamentos y muchos más.

Materiales inteligentes en el sector energético

Los materiales inteligentes también tienen el potencial de hacer el sector energético más eficiente. Existen muchas investigaciones que buscan crear nuevos materiales para la generación de energías renovables, principalmente la energía solar.

Por ejemplo, en el Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Orgánicos de la Universidad Rey Juan Carlos han desarrollado la perovskita híbrido, un material de metilamonio que brinda un 20 % de eficiencia certificada. Esto lo convierte en ideal para desarrollar células solares más baratas y con una fabricación más sencilla.

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Dentro de la industria de la energía solar fotovoltaica también se está trabajando para generar reguladores de energía en los paneles solares, materiales que aumenten su eficiencia y otros que eviten que su construcción tenga tanto impacto ambiental.

Palabras finales

Los materiales inteligentes han llegado para transformar, mejorar y contribuir a la evolución de múltiples sectores. Al ser la base mediante la que se componen muchos otros elementos, permiten que sus mejoras y evoluciones no se traduzcan en un único objetivo u objeto.

Las nuevas posibilidades y aplicaciones que estos materiales traen son prácticamente infinitas. Y, además, generan nuevas capacidades sin necesidad de sensores, actuadores o electrónica. Se convierten en la fusión ideal y práctica para múltiples materiales que existen hoy en día.

Aunque su investigación lleva ya un tiempo, lo cierto es que todavía queda mucho por investigar y desarrollar. Esperemos que en los próximos años algunos de los materiales y ejemplos mencionados vean la luz y que los que quedan por desarrollar empiecen a dar sus primeros pasos.

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