Nuevos materiales

25 enero 2022 Nuevos materiales sostenibles para un posible futuro inmediato Física | Innovación | Investigación | Sostenibilidad Ventana al Conocimiento Periodismo Científico Tiempo 6 de lectura La ciencia de los materiales es una de las que más avances propicia, y su aplicación es prácticamente inmediata. Quizá sus descubrimientos no salgan en portada de los periódicos, pero el impacto de esta disciplina en nuestras vidas es significativo, aunque cada hallazgo no sea muy visible: los investigadores están obteniendo continuamente nuevos materiales con sorprendentes propiedades o mejorando los conocidos desde hace siglos, y el producto de estas investigaciones pasa a ser objeto de uso corriente por parte de todos, casi sin que nos demos cuenta. Quizá pronto veamos aplicaciones en nuestras vidas de estas cinco recientes innovaciones. SUPERFICIES ANTI-HIELO Eliminar la escarcha de un congelador requiere sistemas adicionales que consumen energía, de modo que evitar que se forme el hielo en las superficies de su interior no solo es bueno para el consumidor, sino también para el medioambiente. Este es uno de los motivos por los que los científicos de materiales andan detrás de nuevos compuestos con estructuras microscópicas que no permitan la adhesión del agua y otras sustancias. En la naturaleza pueden encontrarse numerosos ejemplos de superficies hidrofóbicas, que repelen el agua. El caso más típico es la hoja del loto, y durante casi 80 años hemos conocido las aplicaciones de materiales hidrofóbicos como el teflón. La estructura microscópica de ciertas superficies también puede conferir esta propiedad, por ejemplo en el plumaje de las aves o en los diminutos pelos que recubren las patas o el cuerpo de los insectos acuáticos. BBVA-OpenMind-Yanes-Materiales sostenibles 1-El material desarrollado por el Instituto Wyss es tan liso que el hielo no puede adherirse a él.Imagen: Wyss InstituteEl material desarrollado por el Instituto Wyss es tan liso que el hielo no puede adherirse a él. Imagen: Wyss Institute Otro ejemplo natural es la planta carnívora Nepenthes, cuya superficie interior es tan resbaladiza para los insectos que no pueden evitar caer al fondo, donde son digeridos. Inspirándose en el recubrimiento de estas plantas, un equipo de investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard creó la tecnología de superficies porosas resbaladizas infundidas de líquidos, o SLIPS por sus siglas en inglés. Este material posee una nanoestructura a la que se adhiere un lubricante especial que forma una superficie perfectamente lisa, mucho más de lo que cualquier sólido podría serlo, y sobre la que el hielo no se deposita. Además, en caso de que se arañe el recubrimiento, el líquido lubricante fluye rellenando la grieta y manteniendo la uniformidad de la superficie. El nuevo material ya se comercializa a través de la startup Adaptive Surface Technologies, creada por el Instituto Wyss para explotar sus numerosas aplicaciones, desde impedir la formación de hielo en las alas de los aviones u otras estructuras expuestas a bajas temperaturas, hasta recipientes antiadherentes para alimentos con un material seguro y sostenible. Otros grupos de investigación progresan también en el estudio y las propiedades de los materiales SLIPS, y es posible que en un futuro próximo nuestros congeladores incorporen este tipo de soluciones pasivas anti-escarcha sin consumo de energía. ABSORBER AGUA… DEL AIRE Unos 2.200 millones de personas en todo el mundo carecen de agua corriente potable en sus hogares. Pero incluso la potabilización se convierte en una cuestión secundaria frente al primer problema, el acceso al agua, un bien raro para más de 2.100 millones que viven en regiones áridas. La investigación busca también soluciones innovadoras para resolver el problema del agua, y algunas de ellas se basan en nuevos materiales capaces de absorber la humedad del ambiente incluso en los climas más secos. Este es el caso, también inspirado en la naturaleza, de un material creado por investigadores de la Universidad Rice en Houston. Imitando las alas de un escarabajo capaz de atrapar agua del aire en el desierto de Namibia, los científicos construyeron un “andamiaje higroscópico”, una especie de bosque de nanotubos de carbono capaz de atraer las moléculas de agua del aire y capturarlas en su interior. Y, como una esponja, se escurre y el material está listo para ser usado de nuevo. Si llega a comercializarse, podría permitir fabricar objetos como prendas que retengan la humedad y permitan habitar zonas extremadamente áridas, como en la saga de ciencia ficción Dune. BBVA-OpenMind-JAvier Yanes-Materiales sostenibles 2-Una máquina "cosechadora de agua" del tamaño de un microondas es capaz de recolectar entre 7 y 10 litros diarios de agua, la cantidad diaria suficiente para que dos personas puedan beber y cocinar. Imagen: Grant Glover, University of South AlabamaUna máquina “cosechadora de agua” del tamaño de un microondas es capaz de recolectar entre 7 y 10 litros diarios de agua, la cantidad diaria suficiente para que dos personas puedan beber y cocinar. Imagen: Grant Glover, University of South Alabama Pero aunque los nanotubos de carbono ya son viejos conocidos en la ciencia de los nuevos materiales, no lo son tanto las redes metaloorgánicas, o MOF, por sus siglas en inglés. Se trata de un tipo de materiales porosos formados por metales y compuestos de carbono que hoy se investigan para múltiples aplicaciones. En una de ellas, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de California han experimentado con un tipo de MOF de bajo coste, que funciona solo con energía solar y que es capaz de recolectar 0,7 litros de agua al día por kilo de material en un ambiente desértico. La startup Water Harvesting, creada para desarrollar el producto, trabaja en la creación de dispositivos que puedan llevar agua a los habitantes de las zonas más áridas del mundo sin necesidad de un suministro de energía. MATERIALES MÁS DUROS Y SOSTENIBLES Todos sabemos que el diamante es el material más duro, capaz de rayar cualquier otro sólido, motivo por el cual es usado en la industria, la minería y la construcción. Sin embargo, otros materiales le disputan el trono de la dureza al diamante, como el nitruro de boro en cristal de wurtzita o el mineral lonsdaleíta, aunque son tan escasos y difíciles de sintetizar que no se ha podido experimentar a gran escala con ellos. Pero lo cierto es que hace ya años que el ser humano ha sido capaz de crear materiales sintéticos más duros que el diamante, utilizando elementos como nanobarras de carbono (macizas, a diferencia de los nanotubos) o placas de nanorredes de carbono. Estos materiales podrían incorporarse en los próximos años para mejorar la resistencia de las estructuras de aviones y naves espaciales. También en el título de la dureza, el acero es el rey entre los metales. Pero manipulando su estructura microscópica para asemejarla a la de materiales naturales como el bambú o el hueso, los investigadores han logrado aumentar su resistencia. La idea consiste en crear un gradiente en el tamaño de los granos del metal de modo que son más finos en la superficie y más gruesos hacia el interior. El material resultante aguanta mayor tensión que el fabricado normalmente (gracias a los granos pequeños del exterior) y, además, es más flexible cuando se acerca al punto de ruptura (gracias a los granos más grandes del centro), lo que permite detectar el fallo a tiempo de hacer algo antes de que se rompa la pieza de acero. Los autores estudian estos materiales en sus posibles aplicaciones a estructuras o a piezas mecánicas como las utilizadas en la automoción. BBVA-OpenMind-Yanes-Materiales sostenibles 3-La capacidad de manipular materiales a escala nanométrica, como mediante el uso de nanoredes de carbono, permite cambiar sus propiedades para hacerlos más resistentes. Imagen: PixabayLa capacidad de manipular materiales a escala nanométrica, como mediante el uso de nanoredes de carbono, permite cambiar sus propiedades para hacerlos más resistentes. Imagen: Pixabay Sin embargo, y aunque el acero se reconoce hoy como uno de los materiales de construcción más sostenibles, aún tiene una considerable huella de carbono. La industria estudia distintos modos de reducirla, pero también la investigación de nuevos materiales busca alternativas que igualen las propiedades mecánicas del acero mejorando su huella ambiental. Por ejemplo, los materiales intermetálicos, un tipo especial de aleaciones, se han estudiado durante años por su resistencia comparable a la del acero, lo que permitirá grandes aplicaciones solucionando sus puntos débiles, como la menor ductilidad y mayor fragilidad. MATERIALES PARA UNA MOVILIDAD MÁS SOSTENIBLE Un campo de batalla clave en la sostenibilidad es el de los vehículos, sobre todo en el transporte rodado y aéreo. Los motores híbridos y eléctricos han aumentado su presencia en los automóviles en los últimos años, pero aunque los sistemas de propulsión son la vía principal para reducir el impacto ambiental, no es la única. También la ciencia de los nuevos materiales estudia aleaciones metálicas —incluyendo los mencionados materiales intermetálicos— que puedan aligerar el peso para reducir el consumo energético. Por ejemplo, desde hace décadas se combina el acero con aluminio para hacerlo más ligero, pero el metal resultante es más frágil. Investigaciones recientes han descubierto que manipulando la nanoestructura del material para dispersar los cristales que se forman es posible obtener un acero-aluminio menos frágil y tan resistente como el titanio, pero mucho más barato. Otro aspecto en el que puede reducirse el consumo energético de los vehículos es la aerodinámica. Y aunque el diseño y la forma son cruciales, también los nuevos materiales pueden aportar mejoras sorprendentes. Inspirándose en los hoyuelos de las pelotas de golf, que reducen la resistencia del aire a la mitad, científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts crearon un objeto capaz de alterar las propiedades de su superficie para adaptarse a las condiciones aerodinámicas. La estructura aerodinámica de las pelotas de golf inspiró el diseño del material que se adapta a distintas condiciones cambiando su forma. Crédito: MIT Se trata de una bola hueca de silicona recubierta por otra capa de silicona más rígida y un mecanismo que permite regular la presión del aire en el interior. Al disminuirla, la superficie empieza a arrugarse y formar hoyos semejantes a los de una pelota de golf, que reducen el rozamiento con el aire. De hecho, estas texturas rugosas se utilizan también en balones de fútbol o en prendas técnicas para atletismo; la ventaja del material construido por estos investigadores, liderados por el ingeniero Pedro Reis, es que la texturización de la superficie puede controlarse a voluntad para modificar las propiedades aerodinámicas. Otros investigadores trabajan en este tipo de materiales con capacidad de morphing, o cambio de forma por mecanismos controlables. Utilizando materiales elásticos, Reis ha desarrollado también cilindros con surcos cuya profundidad puede modificarse para mejorar la aerodinámica de su forma. En este caso el ingeniero se inspiró en los grandes cactus saguaros, cuyos surcos verticales reducen el rozamiento aerodinámico, ofreciendo mayor robustez de la estructura de la planta frente a los fuertes vientos del desierto. Javier Yanes @yanes68‬‬ Publicaciones relacionadas Nuevos materiales con propiedades (casi) mágicas En busca de nuevos materiales en la basura El reino animal inspira a los científicos Spiderman y los nuevos materiales ¿Quieres estar al día de nuestras publicaciones? Recibe la newsletter de OpenMind con todos los artículos y contenidos más destacados de nuestra web Infórmate aquí Más de Tecnología FUTURO INNOVACIÓN INTELIGENCIA ARTIFICIAL MUNDO DIGITAL ROBÓTICA VISIONARIOS