¿Los materiales son inteligentes?

2005/02/01 Aranberri, Ibon - Kimikan doktorea | Manchado, Juan Carlos | Garay, Dani | Matellanes, Lina | Dios, J. Ramón Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Un fluido magnetoreológico. Si el líquido que está dentro del bote se vierte sobre el electroimán encendido, éste se alinea y adquiere forma sólida. Una vez apagado el electroimán, el líquido caído vuelve a recuperar las propiedades de los líquidos.

GAIKER

Los materiales inteligentes –smart o intelligent en inglés– se conocen también como materiales activos o multifuncionales. Estos materiales son capaces de responder a estímulos físicos y químicos procedentes del medio. Pero no de cualquier manera. La respuesta debe ser reversible y controlada. La madera, por ejemplo, se infla si se moja, pero cuando se seca no se vuelve a la superficie. Según esta clasificación, la madera no sería un material inteligente, aunque responda a un estímulo externo.

Los materiales inteligentes son útiles para el desarrollo de nuevos sensores y actuadores, capaces de dar una respuesta a la quinada ‘sentida’ y enviar información de un lado a otro de la estructura, y estos sensores, a su vez, sirven para desarrollar nuevas estructuras, edificios, puentes, etc., analizando en todo momento sus características. Ya están en uso.

Varios tipos

Los materiales inteligentes pueden ser orgánicos o inorgánicos, metálicos, cerámicos o poliméricos. En consecuencia, el uso también puede ser ilimitado. Sin embargo, entre todos los materiales inteligentes, los polímeros son los más utilizados actualmente. De hecho, además de ser ligeros, duros y baratos, pueden sintetizarse y transformarse con relativa facilidad, dirigiéndose con facilidad a las aplicaciones deseadas.

Algunos materiales inteligentes tienen la capacidad de ‘recordar’ su forma. Se denominan con memoria de forma. Bajo un campo eléctrico o por efecto de la temperatura se deforman y al anular el estímulo físico vuelven a la situación anterior. Los más conocidos son los SMA (Shape Memory Alloys o aleaciones con memoria de forma), pero en los últimos años también están investigando los SMP (Shape Memory Polymers, polímeros con memoria de forma). Los SMP ya han sido comercializados en Estados Unidos y Japón, pero no en Europa.

Otros, con estímulos similares, modifican sus propiedades físicas. Por ejemplo, los electroactivos y los magnetoactivos varían según el campo eléctrico o magnético circundante. Varios, piezoeléctricos, son capaces de transformar la energía eléctrica de la zona en energía mecánica y viceversa.

Los sólidos y fluidos electroreológicos son también sensibles a los campos eléctricos y magnéticos. Son dispersiones formadas por partículas de unos 5-10 micrómetros. En ausencia de zonas, las dispersiones son totalmente fluidos, pero bajo la zona las partículas se alinean y el líquido adquiere las propiedades de los sólidos.

Posteriormente, una vez desaparecida la zona, las partículas se ‘aflojan’ y el fluido recupera sus características intrínsecas, en este caso la fluidez.

Existen en el mercado, por ejemplo, coches con amortiguadores inteligentes fabricados con fluidos magnetoreológicos. Y gracias a ellos, no es necesario buscar puntos de equilibrio entre conducir con comodidad y seguridad. De hecho, hoy en día los amortiguadores más seguros son también los más duros. En consecuencia, los fabricantes de automóviles se comportan con la seguridad mínima legalmente establecida para aumentar el confort de los vehículos.

Posición de partículas sin campo y al encender una zona.

Sin embargo, con los fluidos magnetoreológicos esta necesidad de equilibrio desaparece y se pueden construir coches de gran seguridad y confort. En general, la automoción es un ámbito muy apropiado para los materiales inteligentes, ya que la electrónica y los sensores han ido ganando fuerza.

Los polímeros conductores son también importantes materiales electroactivos. Hasta hace poco una de las principales características de los polímeros era su carácter aislante, pero no hace mucho se encontró la posibilidad de que varios polímeros pudieran ser conductores. El poliacetileno, el polipirrol y la polianilina son los más conocidos y estudiados. Y es posible que en el futuro muchos cables metálicos puedan ser sustituidos por polímeros conductores.

Por el momento, se pueden encontrar de forma dispersa en los teléfonos móviles y en las pantallas planas de color de las nuevas televisiones. Fabricados en materiales electroluminiscentes, presentan las siguientes ventajas: son ligeros, no se calientan y son potentes emisores de luz.

Cuando el campo eléctrico es 0, el material está relajado. Una vez encendido, sin embargo, se calienta el SMA (70-80 C) que va dentro del tubo y se cambia de fase. En consecuencia, se contrae y se flexiona y eleva el tubo de silicona. Al bajar el campo al vacío, el material tiene memoria de forma, por lo que vuelve a su forma original. (Foto: GAIKER).

En cualquier caso, se trata de un potente campo de investigación en el que los investigadores descubrieron la conductividad de los polímeros, premio Nobel recibido en 2000.

También hay conductores que no son conductores pero que responden a rayos de luz. Estos materiales se consideran fotoactivos y pueden sufrir variaciones de varios tipos. Destacan los materiales fosforescentes y fluorescentes.

Ambos son capaces de emitir rayos de luz. Los materiales fosforescentes emiten de nuevo la luz/energía recibida tan pronto como reciben los rayos y el emisor es apagado (muchas agujas de los relojes, por ejemplo, reciben luz de día y se iluminan de noche). Los fluorescentes son blancos en la luz normal del día, pero si reciben luz ultravioleta emiten simultáneamente luz fluorescente potente. Los materiales electroluminiscentes también se convierten en potentes emisores de luz tras recibir una corriente eléctrica.

Finalmente se encuentran los llamados cromoactivos. Son capaces de cambiar de color si soportan una corriente eléctrica –eletrocrómica-, una radiación ultravioleta –fotocrómica- o un cambio de temperatura –los termocrómicos–. Lógicamente, una vez agotada la energía recibida, el material recuperaría nuevamente su color original.

Un material fotocrómico. Al recibir la luz ultravioleta cambian de color.

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Por ejemplo, los materiales que cambian de color con la temperatura serían de gran ayuda en la vida diaria, especialmente desde el punto de vista de la seguridad. La elaboración de sartenes, cafeteras o vasos con materiales termocrómicos permitiría detectar fácilmente su temperatura y reducir considerablemente tanto las quemaduras como los accidentes. En cuanto a los niños, tanto por biberón como por baño, pueden ser muy interesantes.

En el ámbito de los envases y embalajes también se utilizan etiquetas inteligentes para mejorar la calidad de los productos. Estas etiquetas garantizan la calidad del producto y proporcionan información detallada de los procesos de producción y distribución.

Por otra parte, la temperatura de muchos productos puede determinarse también en función del color de la etiqueta. En Inglaterra, por ejemplo, la etiqueta de la cerveza Newscastle tiene una estrella azul. La etiqueta se oscurece o aclara en función de la temperatura, lo que permite al cliente saber si la cerveza está suficientemente fría antes de tomar la botella.

Evidentemente, los materiales inteligentes ya se han utilizado en aplicaciones de gran éxito. Se han desarrollado nuevos sistemas y productos, pero sobre todo se ha conseguido reducir el peso y la complejidad de los dispositivos ya utilizados. Y es que hay que tener en cuenta que con los materiales inteligentes no se quiere hacer totalmente nuevos productos, sino que se trata de hacer más bonitos, baratos, fiables y, en definitiva, más cómodos muchos de los productos que hay en el mercado.

Materiales termocrómicos. Los cambios de temperatura producen diferentes colores.

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Para ello, el trabajo de los grupos de investigación universitarios y de los centros tecnológicos será determinante en los próximos años. La investigación básica de los equipos universitarios nos ayudará a comprender mejor estos materiales. Los centros tecnológicos, por su parte, deberán trabajar en las aplicaciones de estos materiales para ofrecer nuevos y mejores productos a la sociedad.

De esta manera, pasaremos de la era de los materiales ‘pasivos’ a la de los materiales ‘activos’, materiales que saben ‘responder’ y quién sabe lo que vendrá en el futuro. En las jornadas sobre materiales inteligentes organizadas por GAIKER, el profesor Jan Van Humbeeck anunció que, además de materiales inteligentes o luminosos, quizá también conoceremos a los ‘sabios’.