Todo se basa, a fin de cuentas, en los materiales que usamos para construir algo: la física y la química, unidas, han revolucionado una disciplina que estaba en pañales hasta hace nada pero que lo cambiará todo.
Hasta hace muy poco, quizás hasta la invención de los plásticos (unos cien años, más o menos) todo lo que el ser humano construía nacía de la propia tierra: madera, piedra, adobe, ladrillos, el cemento, las aleaciones metálicas… todo tenía su origen en alguna mina, bosque o cantera, y todo pasaba por fábricas o herrerías. Pero siempre el punto de partida era el mismo: la naturaleza. Ahora eso ha cambiado. El trabajo a nivel molecular de la ciencia y la tecnología industrial derivada ha conseguido que el ser humano diseñe, ex profeso, los materiales que necesita para sus ambiciones. Ya no hay que hacer ensayo y error con la naturaleza, si no existe se inventa como si fuéramos Hefestos bajo el volcán.
Este trabajo lleva muchos años en marcha pero es ahora cuando más difusión tiene porque empieza a tener más y más aplicaciones a todos los niveles, desde materiales capaces de torcer la luz y que abren un camino impensable en la fotónica (electrónica que no usa cables ni corrientes eléctricas sino la luz) a aerogeles que pueden almacenar energía o que pueden soportar miles de veces su peso. También hay sintéticos capaces de crear nanotubos que resisten una presión 10.000 veces superior y con la misma densidad del agua que serían muy útiles en la fabricación de automóviles, aviones, barcos, edificios… Y sigue la cuenta: nuevas células solares tan baratas y eficientes que casi podrían producirse en un granero.
Primer ejemplo. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han desarrollado un material de estado físico muy difuso que es diez veces más fuerte que los aerogeles tradicionales (llamados “humo congelado) que tienen la misma densidad y que por su composición podrían ser usados para almacenar energía. La densidad es tan baja (como humo denso) que permite su uso en múltiples funciones y es tremendamente maleable a la vez que muy rígido por su composición de nanotubos interconectado. Así, podría usarse para almacenar energía, en procedimientos químicos industriales o como aislante térmico. Por ejemplo: si se usara para aislar una habitación del frío bastaría una delgada capa de este material para evitar que el frío exterior entrara.
Ejemplo de un aerogel
El problema de este tipo de nuevos materiales es que para poder explotar al máximo sus propiedades hacen falta mecánicas secundarias muy desarrolladas y problemáticas. Es decir, que los procesos todavía son demasiado caros, complejos y frágiles. Para empezar hay que controlar a nivel molecular el material, controlar su forma, densidad, composición, y sólo entonces se puede controlar el proceso, que incluye el uso de oro nanoporoso. Pero que a día de hoy su origen sea tan complejo no implica que en un futuro cercano no pudieran ser usados primero en el ámbito industrial y luego, lentamente, en otros campos más domésticos.
También en el terreno de los aerogeles, y desde el mismo lugar (Laboratorio Nacional Lawrence Livermore) aparece otro descubrimiento muy útil: un material que se comporta como tal en peso y densidad pero cuya capacidad de resistencia es tan grande que genera una rigidez 10.000 veces más grande. Científicos de este laboratorio y del Instituto Tecnológico de Massachusetts publicaron recientemente en la revista Science las peculiaridades de este desarrollo. Su fabricación se hace en laboratorio y dadas sus características sería perfecto para aeronáutica, automoción o medicina. La creación es a partir de otros materiales artificiales que permiten combinar alta resistencia con densidad ultrabaja, lo que les da una maleabilidad muy por encima de la media de lo que se usa hoy en día.
Este nuevo aerogel supera con creces a los actuales materiales ligeros que, después de un tiempo y de un uso, se degradan irreversiblemente ya que su estructura es también endeble. Con este nuevo material no sucedería eso, ya que está conformado por materiales ultrarrígidos sin perder densidad. Porque ahí está la clave: la industria necesita materiales ligeros pero que al mismo tiempo sean ultrarresistentes, y eso sólo se consigue a partir de la densidad misma del material. En laboratorio su estructura se diseñó para soportar carga aplicada.
Placas solares incluso en los móviles
En 2013 salió a la luz la primera de muchas revoluciones en el campo de las células fotosensibles para la fabricaciones de paneles solares. Investigadores de la Universidad de California (UCLA) desarrollaron entonces un nuevo tipo de polímero de células solares (PSC) que produce energía mediante la absorción de la luz infrarroja. Es totalmente transparente y permite su uso, por ejemplo, en las ventanas de una casa, el techo de un coche, e incluso la pantalla de una tableta o un teléfono móvil. El autor del estudio, el investigador Yang Yang asegura que aplicado a estos aparatos se podría obtener energía de forma autónoma sin necesidad de conectarlos para recargar baterías. Este hallazgo podrían servir como una capa de generación de energía en las pantallas de las ventanas y de los ‘smartphones’ sin comprometer la capacidad de los usuarios para ver a través de su superficie. Las células se pueden producir para que aparezcan de color gris claro, verde o marrón, por lo que puede mezclarse con el color y las características del diseño de edificios y superficies.
Los nuevos PSC están hechos de materiales similares al plástico y son ligeros y flexibles, además se puede producir en gran volumen a bajo coste, fundamental para que dé el salto de mera invención de laboratorio a producto útil para la sociedad. El nuevo dispositivo se compone de dos células de PSC que recogen la luz solar y la convierten en energía, mejorando así los dispositivos anteriores. El nuevo sistema diseñado, que ha sido publicado en Energy & Environmental Science, utiliza la luz de una porción más amplia del espectro solar debido a que incorpora una capa de nuevos materiales entre los dos las células para reducir la pérdida de energía. Según Yang en este medio, “el uso de dos células solares [nuevas] produce cerca de dos veces la energía de la que se obtenía en el modelo creado por UCLA en 2012″.
El nuevo horizonte de la fotónica: materiales que “tuercen” la luz
Y ahora vayan preparándose para esta palabra: “fotónica”, la disciplina de la electrónica que va a abrir un nuevo camino hacia la tecnología, consistente en usar la luz para crear máquinas más rápidas, compactas, eficientes y que consuman menos. Y un paso fundamental era la capacidad de curvar o torcer la luz. ¿Cómo? Desarrollando un nuevo tipo de materiales con unas propiedades diferentes a cualquiera que haya en la naturaleza. Son los metamateriales, creaciones de laboratorio diseñadas para tener un comportamiento específico para cubrir las necesidades tecnológicas.
Miembros de la Universidad Nacional de Australia (ANU en inglés) han logrado que uno de esos materiales sirva para la tarea de manipular la luz, concretamente girar su polarización y “torcerla” de una manera que no se conocía con los materiales naturales. Al poder realizar este acto a voluntad se entra en una nueva fase de desarrollo de la fotónica en la que sus usos múltiples son un horizonte abierto y despejado, sólo hace falta imaginación e inversión. Ejemplos de uso de la luz: la fibra óptica. Ya no hace falta electricidad para transportar señales, ya que lo hace la luz. El siguiente paso obvio sería la creación de, por ejemplo, chips fotónicos gracias al control de la polaridad de la luz con esos nuevos materiales.
Imagen del experimento
Pero “torcer la luz” gracias a la inversión de la polaridad es algo complejo pero que puede darse de forma natural. Esta capacidad “surge de la asimetría de una molécula. Se produce en los minerales y sustancias naturales”. Los viejos transistores de toda la vida volarían, igual que muchos procesadores que hoy son frecuentes en todo, desde relojes de pulsera a maquinaria pesada. Los llamados metamateriales son en realidad formaciones de diseño inteligente y no aleatorio, siguen un patrón a partir de “meta-átomos” dispuestos de tal manera en laboratorio que crean un nuevo tipo de material con nuevas propiedades. La explicación dada por el grupo australiano es la siguiente: “Se crearon pares en forma de C meta-átomos, uno suspendido por encima del otro por un alambre fino. Cuando la luz brilla a la par de los meta-átomos la parte superior gira, haciendo que el sistema sea asimétrico. La alta capacidad de respuesta del sistema viene porque es muy fácil de hacer girar algo que cuelga”.
La aportación española: nanotubos que emiten luz
La ciencia en España a veces, a pesar de los recortes y la indolencia gubernamental, da saltos hacia delante, como el de un grupo de la UPV que patentó en 2013 una nueva fuente emisora de luz basada en nanotubos de nitruro de boro. Esta nueva aplicación de materiales y nanotecnología permite desarrollar dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia. Los responsables son investigadores de la Universidad del País Vasco (UPV) dirigidos por Ángel Rubio, que trabajaron a partir del nitruro de boro hexagonal. Rubio lleva trabajando casi 20 años con nanotubos de nitruro de boro: “Los propusimos nosotros teóricamente, y luego se encontraron experimentalmente. Todas nuestras predicciones teóricas se han confirmado hasta ahora, y eso es muy gratificante”.
Rubio y una reproducción del experimento
El nitruro de boro en hexagonal es uno de los materiales con más aplicaciones en nanotecnología por sus propiedades aislantes, su gran resistencia y su similitud con la piedra filosofal de la industria tecnológica actual, el grafeno. El nitruro de boro hexagonal es muy superior en ventajas al resto de semiconductores usados actualmente para almacenamiento óptico como en las redes de telecomunicaciones o los DVD. Defecto: la emisión de luz de estos nanotubos sólo se produce en un rango limitado del espectro ultravioleta, por lo que el abanico de opciones industriales está más limitado y es más especializado. Pero el equipo de Rubio dio con una solución: si se aplica un campo eléctrico perpendicular al nanotubo, se puede conseguir y controlar de manera sencilla que éste emita luz en todo el espectro que va desde el infrarrojo al ultravioleta lejano. Pero sólo funciona en nanotubos cilíndricos.
El funcionamiento del dispositivo se basa en la utilización de los defectos naturales (o inducidos) de los nanotubos de nitruro de boro. En particular, los defectos que posibilitan la emisión controlada son aquellos huecos producidos en la pared del nanotubo debidos a la falta de un átomo de boro, que es el defecto más común en su fabricación. Y cuanto más defectuoso sea, mejor uso se le puede dar. Rubio consideraba que estas nuevas aplicaciones, a largo plazo, podrían tener más futuro porque apenas se ha estudiado fuera del grafeno. Además, son fáciles de construir y no hace falta una escrupulosa perfección en la producción, ya que precisamente sus defectos son la clave para nuevas aplicaciones.
Las impresoras 3D revolucionarias de Alemania
Finalmente, otro punto industrial, la fusión de las impresoras 3D con la creación a partir de nanotubos: la Universidad de Karlsruhe (Alemania) desarrolló este mismo año un material con impresoras 3D que puede revolucionar la fabricación industrial por sus características extremas. Este nuevo material es tan resistente como el acero y con la misma densidad que el agua. Y todo hecho con tecnología láser aplicada a las impresoras 3D que ya empiezan a ser más frecuentes. El equipo de investigadores de la Universidad de Karlsruhe responsable del proyecto ha creado un material ad hoc para muchas necesidades industriales: tan resistente como una plancha de acero, tan maleable en determinadas condiciones como éste pero con una particularidad que es la verdadera clave: a la solidez se le une la densidad, tan baja como la del agua. Todo gracias al uso de la tecnología láser.
Los investigadores tomaron como partida la propia Naturaleza: copiaron la estructura del hueso humano, extraordinariamente resistente pero muy ligero y aplicaron la estructura microscópica de las células óseas. La porosidad del hueso permite que, a pesar de ser sólidos, puedan pesar menos que el agua. A partir de ahí, y con la clave de construcción, dibujaron con láser la nueva estructura del material y eliminando aquello que sobraba, consiguiendo una pureza estructural muy depurada. A la estructura se acopló una lámina de óxido de aluminio como recubrimiento y fin del trabajo. Es más, quizás incluso fuera innecesario el recubrimiento ya que se dieron cuenta, en experimentos posteriores, que el material se hacía más y más resistente cuantos menos añadidos había.
Los responsables del trabajo son expertos en la ciencia de materiales, todavía en mantillas pero que es una de las más prometedoras para el actual siglo, un salto hacia delante para que la Humanidad ya no dependa del trabajo sobre el material tal y como la Naturaleza nos lo brinda; en breve ya no hará falta tener hierro o cualquier otra materia prima, bastará con saber combinar moléculas a gran escala para fabricar nuevos materiales que se adapten a cada necesidad. Las aplicaciones son infinitas: tecnología aeroespacial, naval, medicina, física, botellas, paquetería, ropa, etc. El problema es que el proceso, actualmente, es tan caro que resulta poco práctico comercialmente. A día de hoy: las impresoras 3D también empezaron siendo un lujo y ahora ya se venden al público. Cuestión de tiempo.