Materiales que cambiaron el mundo (II)

Por último hablaremos en este post de los materiales que han sido revolucionarios durante el siglo XX. Todo el progreso que hemos tenido en telecomunicaciones, en informática y electrónica ha sido posible gracias a diversos materiales. A continuación te mostramos los más destacados.

Semiconductores

Estos materiales tienen una conductividad eléctrica de valores intermedios entre los materiales conductores y los aislantes. El semiconductor más utilizado es el silicio, que abundante en la naturaleza. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. El silicio y su dopaje permitieron fabricar los chips, elementos imprescindibles en la industria electrónica e informática.

En estos materiales semiconductores se puede “jugar” con su conductividad añadiendo impurezas, este proceso de impurificación es llamado dopaje, que consiste en introducir átomos de otros elementos para variar su conductividad. Al doparse pueden formar semiconductores tipo n (negativos) si tiene electrones libres  o semiconductores tipo p (positivos) si tiene huecos libres. Al unirse un semiconductor tipo n con uno p hay transferencia de electrones del lado p al n. Así se fabrican los diodos que tienen múltiples aplicaciones, como los LED las células solares o los rectificadores de corriente.

Los transistores de los microchips se fabrican con distintas zonas de semiconductores tipo n y tipo p, y realizando diferentes combinaciones entre transistores es posible hacer operaciones lógicas que ejecuten funciones de cualquier elemento electrónico o de un ordenador.

Un material derivado del silicio es el siliceno, un material bidimensional formado por láminas de silicio y ahora se están ensayando de manera experimental las magníficas propiedades probadas de manera teórica. Se cree que mejorará las propiedades del silicio permitiendo dispositivos aún más pequeños.

Oblea de silicio monocristalino con chips electrónicos grabados

Fuente : http://historiaybiografias.com/chip_silicio/

Como se hace un michochip: https://www.youtube.com/watch?v=WPkn0oTiWv

Superconductores

Al doctor Kamerlingh Onnes se le concedió el Premio Nobel de Física en 1913 al descubrir la superconductividad en el mercurio al ser enfriado a -269ºC. el mercurio a estas temperaturas y a otros materiales como aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, no presentan ninguna resistencia al paso de los electrones es decir, permiten el transporte de energía sin pérdidas, al contrario de lo que pasa por ejemplo con los metales que sufren el efecto joule.

Esto hace que tengan numerosas aplicaciones, por ejemplo los imanes de los equipos de resonancia magnética se fabrican con materiales superconductoras. También estos superconductores son usados en producción de energía eólica. Permiten conducir la corriente eléctrica sin perdidas lo que supone menor coste energético. Permiten construir nuevos transportes, al poder permitir construir imanes permanentes sobre los que se desplacen vehículos, como los trenes Maglev que alcanzarán velocidades de hasta 580 Km/hora en el trayecto entre Tokyo y Osaka.

Tren superconductor

Fuente: http://www3.icmm.csic.es/superconductividad/aplicaciones/

Pruebas con el tren Maglev: https://www.youtube.com/watch?v=ltqp4McM2wY

Fibra óptica

La fibra óptica cambió el sistema de las telecomunicaciones, gracias a la cual hoy en día es tan sencillo y rápido conectarse a internet. Se diseñaron para mejorar las redes de telefonía, después de las de televisión y finalmente ha contribuido a la expansión de internet y las comunicaciones en general.

Básicamente su función es transportar grandes cantidades de datos a través de luz. Mejora la transmisión de datos respecto a otros sistemas ya que aumenta la rapidez y amplifica los datos transmitidos. Para ello, pensar el material del que estarían hechas estas fibras requería algunas características especiales:

Debería ser transparente a una determinada longitud de onda, que fuera rígido a la vez que flexible y barato.  Así pues están formadas por un núcleo central de vidrio, dopado con óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio y recubrimientos de PVC o polietileno para darles rigidez y protección.

Ejemplo de cable submarino de fibra óptica

Fuente: http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/tema2_1_5.htm

Materiales del Futuro

Ponemos fin a nuestra serie de post, con los materiales más prometedores hoy en día y que son firmes candidatos a ser alguno de los materiales que cambiará nuestras vidas.

Grafeno.

Fue descubierto de manera casi accidental por Andre Geim y Konstantin Novoselov cuando descubrieron que podía fabricar láminas de un átomo de espesor. Ello les sirvió para llevarse el Nobel de física en 2010.

El grafeno es un material extraordinario debido a su estructura es una sustancia compuesta por carbono. De los cuatro electrones del carbono, tres se unen con los átomos contiguos, y es el cuarto electrón libre lo que hace que tenga unas propiedades extraordinarias. Es fuerte, flexible, es casi transparente buen conductor de la electricidad y el calor. Esto hace que tenga múltiples aplicaciones, en particular para la generación de dispositivos electrónicos y con el auge del Internet de las cosas, se prevé que su uso será imprescindible y aumentará en los próximos años.

Lámina de grafeno

Fuente: www.infografeno.com

Seda de araña

En nuestro blog dedicamos una entrada a este material tan prometedor:

https://www.madrimasd.org/blogs/ingenieriamateriales/2012/05/08/438/

Las fibras de la seda de araña tienen unas excelentes propiedades mecánicas, que no es comparable con la seda de otros animales por ejemplo del gusano de seda. La seda se compone principalmente de proteínas que produce el animal antes del hilado. Conseguir este hilado artificialmente es muy complicado aunque ya hay avances sobre ello. Las aplicaciones que tendrá esta seda artificial son múltiples, prendas resistentes, paracaídas, implantes en huesos y tendones, reparaciones óseas, injertos de piel, etc…

Ovillo de seda artificial.

Fuente: Lena Holm, Universidad de Ciencias Agrarias (Suecia)/Nature Chemical Biology

Para saber más: Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin. doi:10.1038/nchembio.226

Estateno

Este material fue diseñado por ordenador, por lo que sus propiedades están probadas teóricamente. Según estos cálculos teóricos podría conducir la electricidad de una eficiencia cercana al 100% ya que la lámina de estateno formada por un átomo de estaño mueve los electrones sin disipar el calor. De momento ya se ha fabricado y queda comprobar si se cumplen dichas propiedades en laboratorio de manera experimental. Si así fuera puede ser el material que reemplace al Silicio en la industria de la electrónica.

Shirlk

Shirlk es un nuevo material, que pretende imitar la cutícula o piel dura de los animales, desarrollado por Javier G. Fernández y otros investigadores del Instituto Wyss en la Universidad de Harvard. Está hecho de capas de un material llamado chitosan y una proteína llamada fibroína de gusano de seda, por lo que es de fácil fabricación, bajo coste, es biodegradable y podría servir para sustitir a los plásticos.

Javier Fernández (a la derecha) muestra una lámina de quitosano a Don Ingber, director del Instituto Wyss. Fuente: Jon Chase Harvard Public Affairs & Communications.

En esta serie de post hemos mostrado algunos materiales pero hubo y habrá muchos más materiales que cambiarán nuestras vidas, de ahí la importancia de continuar la investigación en materiales, ya que serán clave en el futuro. Tendrán su importancia en bioingeniería en el desarrollo de tejidos, ayudarán a consolidar la impresión 3d, mejorarán la manera de obtener de almacenar y obtener energía y serán clave en el futuro.