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Nuestro actual entorno tecnológico, cada vez más próximo
y cotidiano, está plagado de un buen número de objetos dotados de propiedades
físicas y químicas impensables hace unas pocas décadas: plásticos que
conducen la electricidad, cerámicas capaces de soportar sin deformarse
temperaturas altísimas, pantallas de televisión y ordenador totalmente
planas y delgadas como un libro, y otros muchos aparatos y dispositivos
de uso diario. La llamada ciencia de los materiales es una rama del conocimiento
relativamente reciente y extraordinariamente activa; sus equipos de investigación
son esencialmente multidisciplinares: físicos, químicos, ingenieros, informáticos
y, en algunos casos, biólogos e incluso médicos. Sus elementos de trabajo
son relativamente limitados: los elementos de la tabla periódica. Toda
la materia del universo, todos los compuestos químicos, metales, aislantes,
cerámicas, plásticos y materiales orgánicos e inorgánicos que han existido,
y todos los que existirán en el futuro, están hechos de los mismos elementos.
La tabla periódica es, para estos científicos, como la piedra de Rosetta
para los descifradores de jeroglíficos.
¿Cómo se diseña un material con propiedades excepcionales?
Antaño, descubrir uno de estos materiales era producto del azar,
de la suerte o de la intuición. A modo de ejemplo, podemos acordarnos
del modo en que Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización
del caucho, a finales del siglo XIX; tras varias décadas de infructuosa
investigación sobre un método para endurecer el caucho, realizados
en la cocina de su domicilio, su esposa, harta ya de soportar el
nauseabundo olor de los experimentos del marido, obligó a éste a
realizar la solemne promesa de abandonar sus estudios. Un día en
que Mr. Goodyear, contraviniendo su promesa, estaba amalgamando
caucho y azufre, se vio sorprendido por la llegada inesperada de
su mujer, y se deshizo de lo que tenía entre manos echándolo al
fuego. Por fin halló lo que estaba buscando; su descubrimiento resultó
fundamental para construir neumáticos, impermeables, fundas aislantes
de cables y otros muchos objetos, hoy en día, indispensables en
nuestra sociedad.
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Imagen de microscopía electrónica de niobato de estroncio y bismuto,
un material ferroeléctrico de última generación
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En la actualidad, gran parte de lo que en tiempos pretéritos
se fiaba a la intuición, o a la buena suerte, se fundamenta en una paciente
labor de comprensión de los mecanismos por los que se unen los átomos,
las moléculas, los cristales e incluso la materia viva. Gran parte de
los nuevos materiales no son más que el resultado de aplicar lo que las
investigaciones en física y química básica descubren constantemente. Es
sorprendente constatar cuántos de los descubrimientos galardonados con
el premio Nobel son la piedra angular de los inventos actuales; es fundamental
conocer cuáles son los mecanismos por los que los materiales tradicionales
poseen unas determinadas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas,
magnéticas y ópticas para poder desarrollar nuevos materiales que posean
estas mismas propiedades mejoradas, o bien una combinación de varias de
ellas.
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Fotodiodo lector de códigos de barras, construido mediante técnicas
de superposición de capas semiconductoras
Aspecto de uno de los equipos utilizados en la medida de las propiedades
mecánicas de los polímeros
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Por poner únicamente dos ejemplos, en el año 2000
se concedieron los premios Nobel de química a Alan J. Heeger, Alan
G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por sus investigaciones sobre polímeros
plásticos que conducen la electricidad. Estos plásticos se están
utilizando actualmente en la fabricación de recubrimientos anti-estáticos
para películas fotográficas, en pantallas protectoras de radiación
en ordenadores y en ventanas inteligentes que pueden disminuir la
luz solar. Además, han ayudado a desarrollar plásticos con propiedades
semiconductoras, que pueden ser utilizados en las pantallas pequeñas
de los teléfonos móviles, en mini-televisiones y en otros dispositivos
análogos. Por su parte, los galardonados con el Nobel de física
ese mismo año fueron Zhores I. Alferov y Herbert Kroemer por el
desarrollo de estructuras de varias capas de materiales semiconductores
que posibilitan la construcción de dispositivos rápidos y de pequeño
tamaño que son esenciales, por ejemplo, para la construcción de
transistores de tamaño diminuto con los que funcionan los teléfonos
móviles, los láseres de los lectores de CD, los lectores de códigos
de barras y otros aparatos. Junto a estos científicos, fue galardonado
Jack Kilby por la invención del chip, el circuito integrado, constituyente
básico de cualquiera de los aparatos electrónicos de nuestros días,
desde la más modesta lavadora al más sofisticado satélite de telecomunicaciones.
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Los diseñadores de nuevos materiales utilizan sistemas
de simulación por computadora para calcular la estructura molecular que
tendría cierta combinación de átomos, y deducir de ella sus propiedades
físicas y químicas. Esto les permite elaborar, solamente, los prototipos
reales de aquellos modelos que tienen más posibilidades de poseer las
propiedades buscadas, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes.
Una de las propiedades físicas que produce una buena
cantidad de inventos sorprendentes en el campo de los nuevos materiales
es la piezoelectricidad, descubierta hace ya más de un siglo por
Pierre Curie. Consiste en la aparición, en las caras opuestas de
un cristal, de cargas eléctricas de diferente signo cuando son estirados
o comprimidos y, a la inversa, expandirse o contraerse al ser sometidos
a cierta diferencia de potencial. Como ejemplo de aplicaciones de
esta propiedad a campos de actividad dispares, pueden citarse dos;
por un lado, la última generación de esquíes que disminuyen el riesgo
de caídas cuentan con unas tiras de cerámica piezoeléctrica embebidas
en la tabla, de forma que, durante el deslizamiento por una pendiente
nevada, la vibración mecánica se convierte en una disipación de
corriente eléctrica que, a su vez, se convierte en un incremento
de la superficie del esquí en los bordes; al aumentar el tiempo
que pasan los esquíes en contacto con la nieve se controla mejor
el deslizamiento. Por otro lado, el efecto piezoeléctrico se está
intentando aprovechar para desarrollar músculos artificiales, que
formen parte de piernas y brazos ortopédicos con capacidad funcional.
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Lámina delgada de YBCO, una de las cerámicas superconductoras de alta
temperatura |
No sólo deporte y ortopedia se están beneficiando del
uso de los nuevos materiales, también construcción, electrónica, ingeniería
y prácticamente todas las áreas de actividad industrial. En construcción,
los puentes y edificios más avanzados cuentan con sensores, insertos en
las vigas y zonas estructurales, que detectan, en todo momento, el esfuerzo
que están realizando, lo que permite diagnosticar, de manera prematura,
cualquier fallo y evitar la consiguiente catástrofe. En ingeniería, se
están diseñando aleaciones que cuentan con un componente que suelda perfectamente
las microfisuras que se producen debido a los esfuerzos, lo que revolucionará
las industrias de construcción de automóviles y aviones, por citar sólo
dos ejemplos. En electrónica, la construcción de transistores orgánicos,
basados en materiales que aúnen las excelentes propiedades de flexibilidad
y facilidad de fabricación de los plásticos con las propiedades semiconductoras
del silicio, permitirán la fabricación de pantallas de televisión de gran
tamaño que se podrán enrollar como si de un póster se tratara, y colocarlas
en cualquier parte; o papel electrónico, que podrá conectarse a Internet
y almacenar, por ejemplo, el ejemplar diario del periódico sin necesidad
de recurrir al costoso y ecológicamente caro papel tradicional. El descubrimiento
de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, capaces de transmitir
la energía eléctrica sin la disipación de energía producida por la resistencia,
ha producido ya los primeros sensores superconductores, en la actualidad
solamente útiles en el ámbito científico, aunque ya se sueña con construir
ordenadores superconductores. También se investiga en la consecución de
materiales magnéticos de propiedades apropiadas para los discos duros
y otros soportes de almacenamiento de datos, más fiables, más pequeños
y de mayor capacidad; y en sistemas alternativos de almacenamiento informático,
mediante la utilización de herramientas nanotecnológicas.
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Microfotografía de uno de los componentes de los aceros, la perlita.
Los ingenieros de materiales cambian las propiedades mecánicas del
acero modificando su estructura interna
Circuitos integrados de diversos tamaños, capacidades y prestaciones
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Comportamiento de una pieza de material fotocrómico al ser expuesto
gradualmente a la luz solar. Estos compuestos tienen muchas aplicaciones
en el campo de la fotónica y la óptica computacional como sensores
luminosos, pues presentan distinta absorción luminosa a distintas
longitudes de onda |
Es precisamente esta ciencia, la nanotecnología, la que
está avanzando a pasos agigantados en la búsqueda de nuevos materiales.
Se trata de una disciplina muy reciente que busca la consecución de pequeñas
máquinas de tamaño molecular, capaces de construir nuevos materiales átomo
a átomo. Desde el descubrimiento, a finales de la década de los 80, de
los primeros fullerenos -moléculas de carbono puro que tienen la apariencia
estructural de un balón de fútbol-, se han seguido obteniendo estructuras
de este tipo, algunas dotadas de propiedades mecánicas y eléctricas sorprendentes.
Actualmente, los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de
carbono puro, se están utilizando para diseñar todo tipo de ingenios de
tamaño nanoscópico, que funcionan como diminutos robots de construcción
de nuevos materiales.
Día a día se están descubriendo nuevos materiales, pese
a todo, el número de combinaciones químicas que se pueden realizar con
el centenar de elementos de la tabla periódica es tan enorme que puede
considerarse, con toda propiedad, que acabamos de empezar a descubrir
sus secretos. En un futuro próximo, nuestro entorno estará rodeado de
objetos construidos con nuevos materiales, de propiedades maravillosas
que actualmente sólo podemos sospechar, materiales construidos gracias
a ciertas dosis de suerte e intuición y muchas horas de diseño asistido
por ordenador.
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