Materiales Inteligentes

¿Qué son los materiales inteligentes?
Los materiales inteligentes, activos, o también denominados multifuncionales son materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades.

Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder también llegar a configurar estructuras y sistemas inteligentes de aplicaciones múltiples. En este caso las  estructuras inteligentes, son por ejemplo aquellas que gracias a la combinación de estos materiales son capaces de autodiagnosticarse y  modificarse para adaptarse a las condiciones que se les ha marcado como óptimas o correctas.

Algunos de estos materiales, son conocidos desde hace muchos años y otros (la mayoría) son de reciente aparición. Se manifiestan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, y su comportamiento es muy diverso siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos. Actualmente, su importancia surge gracias a las nuevas tecnologías como la microelectrónica y la posibilidad de diseñar y sintetizar estructuras orgánicas poliméricas con propiedades activas predefinidas.

Por ejemplo, hasta hace pocos años todos nos hemos maravillado ante las pantallas de cristal líquido (LCD) presentes en pantallas planas de computadoras, celulares, ..etc. Pero ya ha comenzado su  cuenta a tras con la aparición de los OLED (Organic Light-Emitting-Diode), pantallas en base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos, permitiendo diseños más ligeros y flexibles. Juntando tecnología e imaginación, ya se comercializan con estas nuevas pantallas, así como lámparas planas para sistemas de seguridad y señalización, piezas plásticas de interior de vehículo con luz propia. Siendo imparable el desarrollo de nuevos productos en base a los materiales activos.

¿Cuáles son los materiales inteligentes y cómo funcionan?
A continuación se enlistan agrupados por el tipo de estímulo o comportamiento algunos de los materiales comúnmente denominados como activos o inteligentes:

- Materiales Electro y Magnetoactivos. Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos (magnetostrictivos, electrostrictivos, ...), ampliamente empleados en el desarrollo de sensores. También, los nuevos desarrollos en base a materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP (Electro Active Polymers) cuyo desarrollo abren paso a los músculos artificiales y mecanismos orgánicos artificiales.

- Los materiales piezoeléctricos, materiales con la capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, ..etc. En la actualidad además de los cerámicos, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de films son fácilmente incorporados a plásticos y composites.

- Los materiales electro- y magnetoreológicos, materiales capaces de alterar su propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables, en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos, silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en base a fluidos magnetoreológicos MRF.
   
- Materiales Fotoactivos (Eléctroluminiscente, Fluorescente, Fosforescente o Luminiscentes). Son materiales que actúan emitiendo luz. En el caso de los electroluminiscentes cuando son alimentados con impulsos eléctricos emiten luz, los fluorescentes devuelven la luz con mayor intensidad y los fosforescentes, almacenan la energía y la emiten después de cesar la fuente de luz inicial.

    Son ya aplicados a sistemas de señalización y seguridad. En el caso de los electroluminiscentes, emiten luz fría y su disposición en forma de film (lámparas planas) están siendo combinados en piezas plásticas mediante técnicas como IMD (In Mold Decoration) para realizar piezas 3D que emiten luz propia.
   
- Materiales Cromoactivos (Termocrómico, Fotoctrómicos, Piezocrómicos). Son materiales que modifican su color ante cambios de temperatura, luz o presión. Los termocrómicos están ya presentes en forma de etiquetas de control de temperatura (cadena de frío), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, mangos,..), juguetes (calcomanías que al frotar muestran una imagen),.
   
- Materiales con Memoria de Forma (aleaciones metálicas SMA y polímeros). Se definen como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y capaces de volver a esa forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede producir por un cambio térmico o magnético.

    Las aleaciones metálicas más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA, se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud, si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, … En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores, ….como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras,…sistemas de unión y separación controlados,…etc.

En general estos materiales llamados “inteligentes” se solapan y se entremezclan con otras grandes tecnologías como las nanotecnologías, la microelectrónica y los biomateriales.

¿Cuáles son sus aplicaciones actuales?
Al margen de las aplicaciones en sectores como el aeroespacial y militar, los materiales anteriores pueden por sí solos, constituir productos inteligentes o elementos fundamentales como sensores y actuadores de uso en ingeniería civil y servicios a la sociedad en general.

Los sensores y actuadores, a su vez, se pueden combinar e incorporar de modo externo o posterior a la fabricación de un producto de cara a:
- Autocontrolarse durante su fabricación, interaccionando con los parámetros de proceso de cara a asegurar un nivel de calidad.
- Conformar un producto final multifuncional, que pueda ofrecer diferentes respuestas en función de las condiciones previstas.
- Monitorizar y controlar su estado en funcionamiento.
- Monitorizar su entorno y dar ordenes a otros sistemas.
- Autorepararse.

Hoy en día se aplican en sistemas de monitorización y control activo en muchos procesos y en algunos productos. Sin embargo la evolución de estos materiales pueden permitir llegar a ser incorporados durante el proceso de elaboración del producto, de modo integrado, combinando diferentes materiales activos, reduciendo y simplificando los diseños y etapas de fabricación.
Existen otros sensores como la fibra óptica, que permite medir la mayoría de las propiedades físicas: desplazamiento, fuerza, fluidez, temperatura, presión, rotación, acústica, campo magnético, campo eléctrico, radiación, vibración , daños, … También es aplicable al control del fraguado de cemento en piezas prefabricadas, estructuras industriales, grúas, estructuras de máquina herramienta, aerogeneradores,…etc.

En otros sectores, la presencia de los materiales activos en el mundo del envase y el embalaje, permiten garantizar la calidad de los productos y además ayudan a controlar los procesos de producción y distribución, mediante envases que controlen la duración del contenido (film de polímeros biocidas) o que lo defiendan contra la contaminación por microorganismos, etc.

En la industria del automóvil, la electrónica y la sensorización van adquiriendo, día a día, una importancia mayor. Sistemas de seguridad y control, que pretenden alcanzar un compromiso entre comodidad y seguridad.

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El Grafeno

El Grafeno y los nanotubos de carbono son formas alotrópicas del carbono cuyas propiedades (resistencia, flexibilidad, conductividad, etc) abren la puerta a su integración en múltiples aplicaciones en el campo de la electrónica.

Un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, del inglés Massachusetts Institute of Technology), una institución de educación superior privada situada en Cambridge (Massachusetts)  hay varios grupos de investigación que trabajan tanto con el grafeno como con los nanotubos de carbono, con este último material, un equipo ha conseguido desarrollar, a partir de los nanotubos, una nueva fuente de energía con la que alimentar sistemas electrónicos de tamaño reducido.

El equipo en cuestión, integrado por el Profesor Asociado del MIT Michael Strano y su equipo de investigación en el área de la nanotecnología, junto al profesor asociado del Royal Melbourne Institute of Technology (Australia) Kourosh Kalantar-zadeh, aprovecharon una reacción quimica producida en un grupo de nantotubos para generar electricidad.

Lo que hizo este grupo de investigación fue recubrir los nanotubos de carbono con un material llamado nitrocelulosa que es inflamable y que al quemarse incrementó su temperatura generando una corriente eléctrica de gran intensidad.

Los nanotubos han demostrado una versatilidad y son fáciles de fabricar, se tenía conocimiento que eran capaces de producir electricidad al ser calentados, pero el sistema implementado en el MIT, denominado Nanodynamite es uno de los más simples y eficientes.

Esta reacción podría utilizarse, por ejemplo, para desarrollar una nueva generación de baterías que alimentasen sistemas autónomos o sistemas embebidos, aumentando su autonomía sin necesidad de fabricar una batería de gran tamaño puesto que, precisamente, esta es una de las primeras aplicaciones prácticas para generar energía a escala nanométrica.

El propio Kalantar-zadeh ha explicado el procedimiento en la última edición de la IEEE Spectrum Magazine y resaltado que la reacción química con la que generaron electricidad tiene una eficiencia de tres a cuatro veces superior a la generada por una batería de litio. Es dificil comparar este sistema con las baterías tradicionales, ya que el dispositivo basado en nanotubos puede generar electicidad a partir del calor, mientras que las baterías “de toda la vida” se limitan a almacenar la electricidad producida por otro dispositivo y devolverla cuando el circuito al que están conectadas lo necesitan.

En todo caso, el Nanodynamite se parece más a una pila que a una batería. Kourosh Kalantar-zadeh  dice que “al recubrir un nanotubo con un combustible denominado nitrocelulosa y encender uno de sus extremos la combustión y, por supuesto, el calor se propagó a lo largo de la estructura demostrando la buena conductividad de este material, generando además una corriente eléctrica de gran intensidad.” Si bien se trata solamente de un experimento, los resultados son lo suficientemente interesantes como para que se justifique una investigación más profunda, que podría producir el conocimiento necesario parta desarrollar una fuente de energía pequeña y eficiente con la que alimentar los dispositivos moviles del futuro.

Las aplicaciones del grafeno (algunas aún potenciales y otras llevadas ya a la realidad y la práctica) incluyen desde sus usos electrónicos –dadas sus extraordinarias propiedades conductoras y semiconductoras–, hasta la futura construcción de ascensores espaciales, pasando por la fabricación de corazas humanas en el ámbito de la seguridad, por ejemplo un chaleco antibalas de una flexibilidad sólo comparable a su extrema resistencia, y tan fino como el papel.

La última novedad sobre el grafeno, según informa en un comunicado la Universidad de Columbia,
es que, por primera vez, los investigadores han confirmado lo que ya se sospechaba: que se trata del material más fuerte jamás testeado.

Nanoestructuras de carbono
Conviene recordar que se trata de un material obtenido a partir del grafito, con la reseñable particularidad de que aquél consiste sólo en una de las capas que conforman a éste. Es decir, y para ubicarnos en el orden nanométrico al que nos estamos refiriendo: la lámina de grafeno tiene el grosor de “un” átomo; independientemente de las formas y estructuras que pueda adquirir (por ejemplo, los nanotubos, si la lámina se enrolla en forma de cilindo, o las buckyballs –traducidas como fullerenos o como buckybolas–, si la lámina se enrolla en forma de balón), o cuántas de esas capas puedan superponerse o combinarse para sus aplicaciones y usos industriales.

Como curiosidad, para obtener las capas individuales de grafeno a partir del grafito (previamente frotado sobre una lámina de silicio) en los laboratorios universitarios se ha venido utilizando el llamado “método del celo”, que consiste en aplicar una “cinta adhesiva” doblada a los dos extremos de la pieza de grafito, y después separándola; y repitiendo el proceso varias veces hasta la obtención de una única capa. Todo ello (cinta adhesiva incluida) a escala nanométrica, claro.

En algunas universidades se viene pagando unos 10 dólares a los becarios por realizar este trabajo. Para su producción industrial se continúan investigando y desarrollando métodos obviamente distintos al “del celo” y, dada la cantidad de nuevas potenciales aplicaciones que día a día se plantean para el grafeno y las extraordinarias propiedades del mismo que una y otra vez se descubren o se confirman, se espera que pronto pueda hacerse a gran escala y bajo coste.

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