NUEVAS NECESIDADES, NUEVOS MATERIALES
RESUMEN
Los nuevos materiales se definen como una serie de nuevas familias de materiales y/o tecnologías, que tienen nuevas y mejores propiedades para el desarrollo de aplicaciones específicas y que pertenecen a una serie de tecnologías aún en fase de investigación y desarrollo denominadas tecnologías emergentes.
INTRODUCCIÓN
Los nuevos materiales son fruto del desarrollo de la química, la física, la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se elaboran para responder a nuevas necesidades o alguna aplicación tecnológica. Los nuevos materiales que está dentro de un sector reciente denominado ciencia de los materiales, que es una ciencia multidisciplinar que reúne conocimientos y experiencias procedentes de la física, la química, la metalurgia, la geología, la ingeniería y también la biología.
CLASES DE NUEVOS MATERIALES DE LOS PRÓXIMOS AÑOS Y SUS PROPIEDADES
Los nuevos materiales estar elaborados a partir de elementos, entre ellos principalmente y el más destacado es el carbono, además luego de otros como el silicio, el estaño, el oro o la plata, cambiándose sus formas de distribución y posición a nivel atómico y molecular. También pueden formarse a partir de biomoléculas, tejidos sintéticos y compuestos químicos. Entre los nuevos materiales más destacados y más prometedores en el siglo XXI son:
Fibra de carbono
Las fibras de carbono son unas fibras sintéticas constituidas por finos ligamentos de unos pocos micrómetros de grosor y compuesta principalmente de carbono. Cada filamento de carbono es la unión de miles de fibras de carbono. Su estructura es similar al grafito, que es la forma más común en la que se encuentra el carbono en la naturaleza y con el que se elabora otros materiales como el grafeno y los nanotubos de carbono. Fue desarrollado por primera vez en 1958 para lo que sería utilizado en vehículos espaciales, satélites y aeronaves militares experimentales. Actualmente, se está usando en muchas industrias, especialmente en las industrias de la automoción y de la aviación.
Capa de fibra de carbono
Propiedades de la fibra de carbono:
Alta resistencia y gran flexibilidad.
Baja densidad, es un material muy liviano.
Aislante térmico.
Resistente a numerosos agentes corrosivos.
Posee propiedades ignífugas
Grafeno
Está entre los nuevos materiales más prometedores del siglo XXI. En el año 2004, los investigadores ruso-holandés Andre Geim y el ruso-británico Konstantin Novoselov, de la Universidad de Mánchester, en el Reino Unido, aislaron el compuesto a temperatura ambiente cuando se pensaba hace tiempo que una estructura como el grafeno no podían ser estable en condiciones normales. Gracias a eso, ganaron el Premio Nobel de Física en el 2010.
El grafeno ya fue descrito teóricamente en la década de 1930, es una sustancia formada por una capa de carbono puro de grafito, cuyos átomos están dispuestos en forma de hexágono regular unidos por enlaces covalentes como el grafito, pero en una hoja de átomo de espesor.
Aerogel de grafeno, el material más lívido del mundo, desarrollado por
investigaciones chinos en la universidad de Zhejiang en Hangzhou, en China.
Pantalla de grafeno
Estructura molecular del grafeno
Propiedades del grafeno:
Altamente ligero y más fino que un folio de papel.
Alta conductividad térmica.
Alta conductividad eléctrica, es un superconductor.
Alta elasticidad, es un material muy deformable.
Alta dureza (resistencia al ser rayado).
Alta resistencia, hasta 200 veces mayor que el acero.
Más flexible que la fibra de carbono.
Inmune a la radiación.
Apenas se calienta al conducir electrones.
Transparente.
Consume poca electricidad.
Puede llegar a generar electricidad por exposición a la luz solar.
El grafeno tiene un sin fin de usos y se le considera como el sustituto del silicio de aquí al 2020. Los países que lideran esta tecnología a nivel industrial son Estados Unidos, China, Japón, Alemania y España.
Nanotubos:
Son nanoestructuras tubulares compuesta mayormente de láminas de carbono, que es un compuesto procedente del grafito (de ahí que casi siempre se les denominan como nanotubos de carbono) o de otros materiales como el silicio enrolladas sobre sí mismas, cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Se conocen derivados cerrados por media esfera de fullereno y otros que no están cerrados.
Propiedades de los nanotubos:
Altamente fuerte y resistente. Son las fibras más fuertes que existen, hasta 100 veces más fuerte que el acero.
Tienen unas propiedades eléctricas muy interesantes: Según las formas en las que estén pueden ser superconductores, llegando a conducir la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los actuales cables de cobre.
Alta conductividad térmica.
Alta elasticidad. Pueden deformarse drásticamente y volver posteriormente a su forma original.
Carbino:
Parece ser una especie de cadena de átomos de carbono unidos por enlaces triples o simples alternados o por enlaces dobles consecutivos.
Propiedades del carbino:
Poco se sabe sobre este material descubierto recientemente y cuyos hallazgos hechos hace poco están dejando en asombro a toda la comunidad científica. Para empezar, no existen evidencias de encontrarse el carbino naturalmente en la Tierra, pero sí puede haberse encontrado en meteoritos y en el polvo interestelar. De las características que se saben, descubiertas por químicos de la Universidad de Rice, en Estados Unidos, es que es el material más duro y resistente descubierto hasta la fecha, más duro y resistente que el diamante y el grafeno. Es muy ligero y es tan flexible como el ADN.
Siliceno:
Al igual que el grafeno, es también un material bidimensional, pero formado por una capa de silicio. En el año 2013 unos investigadores de la Universidad Técnica de Múnich y la Universidad de Aix-Marseille aislaron el compuesto como ya se hizo con el grafeno.
Estructura del siliceno
Propiedades del siliceno:
El siliceno tiene una estructura y unas propiedades similares al grafeno. Pero se predice que podría ser más estable que este, resiste la oxidación en contacto con el aire y se combina bien con los materiales presentes en la microelectrónica.
Seda artificial de araña:
La seda de araña es uno de los materiales más apreciados de la naturaleza, pero es caro y complejo de fabricar en grandes cantidades. Una star-up japonesa llamada Spiber dice haber encontrado la forma de producirla. La solución que han encontrado es lograr descifrar el gen responsable de la producción de fibroína, proteína que crean las arañas al segregar la tela. Gracias a ese hallazgo, han podido crear seda con las mismas propiedades que la seda de araña.
Las propiedades de este tipo de biomaterial son las mismas que la de la seda natural de araña. Presenta una elevada elasticidad, resistencia, rigidez, tenacidad y capacidad de supercontracción.
Seda artificial de araña.
Pegamento molecular:
Es un tipo de pegamento capaz de unir objetos a nivel molecular o curar enfermedades, desarrollado en la Universidad de Oxford a partir de una proteína que se utiliza para unir las células humanas, obtenida de una bacteria que puede desintegrar y digerir carne, llamada Streptococcus Pyogenes.
Entre las propiedades del pegamento molecular es que posee una capacidad de adhesión muy elevada, que hace que sea un material increíblemente duro y resistente y que hace que sea imposible despegar la materia que se une con este tipo de pegamento.
Nanocelulosa:
Se puede encontrar en la biomasa terrestre, presente de forma natural. La nanocelulosa se compone de fibras de celulosa a nanoescala, que son una cadena de moléculas de celulosa en forma de tubo. Los científicos han experimentado con el durante décadas, pero ha sido recientemente cuando se ha empezado ha producir grandes cantidades en una fábrica.
La nanocelulosa es un material poco viscoso, muy ligero, super-fuerte, muy rígido, un buen conductor de la electricidad y es más eficiente que el acero inoxidable. Se le considera el rival ecológico del grafeno.
Envoltorio metálico de burbujas:
Científicos de la Universidad de Carolina del Norte han desarrollado una nueva versión de envoltorio de burbujas metálico basado en el aluminio. Este nuevo material es un 30% más ligero y un 50% más resistente que el envoltorio de plástico actual. Es fácil de fabricar, barato y se podrá utilizar pronto para embalar cualquier objeto delicado.
APLICACIONES DE LOS NUEVOS MATERIALES EN EL FUTURO
El desarrollo de nuevos materiales cada vez mejores y baratos gracias principalmente a su propiedades, que lo convertirá en uno de los sectores con más futuro para las próximas décadas, junto con las tecnologías de información y comunicación, el Internet para todas las cosas, las energías renovables, la nanotecnología, la biotecnología, la impresión a 3D, y el sector espacial, todas dentro de las tecnologías emergentes.
Los nuevos materiales tendrán todo tipo de usos y aplicaciones en los próximos años. Unos de los campos más destacados es la electrónica. El silicio, el material rey de la electrónica, no será capaz de continuar con la ley de Moore. Los chips, al ser cada vez más potentes, estarán tan calientes que se fundirán y serán tan pequeños que se filtrarán los cables. Aunque quede aún más o menos 10 años para que el silicio y la ley de Moore queden obsoletos, se comienzan a investigar con el uso de ordenadores cuánticos, de proteínas, de ADN, ópticos y moleculares. Otro caso muy interesante es la creación de tejidos vivos e inteligentes en el desarrollo de textiles, televisores y otros productos electrónicos, coches e incluso la instalación de dispositivos hechos de tejidos inteligentes en los cuerpos de las personas. Otro muy importante es en el uso de las telecomunicaciones. Materiales como el grafeno o el siliceno, mejores conductores de la electricidad, podrán desarrollarse redes más rápidas y potentes, de ahí su investigación junto a las redes 5G, en fase de desarrollo.
Sectores como la aeronáutica y el automovilismo se investiga el uso de nuevos materiales como la fibra de carbono, el grafeno o los tejidos inteligentes para su uso comercial. También el espacial, con el recubrimiento de materiales inteligentes para detectar cualquier problema o defecto en cohetes, satélites, estaciones y naves espaciales, además de capacitar a estas de una alta flexibilidad y resistencia
En el campo de la defensa, se investiga con materiales más fuertes y ligeros para soportar el fuego enemigo y atacar siempre primero. También se investiga para dotar a soldados, armas y vehículos de invisibilidad, generando campos magnéticos que desvían la luz.
Científicos de la Academia de Ciencias de China desarrollaron en 2013 un material que desvía la luz y permite la invisibilidad.
En el campo de la defensa, se investiga con materiales más fuertes y ligeros para soportar el fuego enemigo y atacar siempre primero. También se investiga para dotar a soldados, armas y vehículos de invisibilidad, generando campos magnéticos que desvían la luz.
Tecnología adaptiv, desarrolado por BAE Systems y el Departamento de Defensa Sueco.
En el campo de la construcción, se planea usar materiales impresos en 3D mediante impresoras 3D para la construcción a gran escala. Se aplicó por primera vez en Holanda, por la empresa Design Lab Workshop. Las impresoras 3D también se aplicarán a la medicina, la alimentación, la industria e incluso la exploración espacial. La Agencia Espacial Europea está desarrollando junto con la compañía Norman Foster, una impresora a 3D para poder imprimir una base lunar en unas pocas horas.
En el campo de la energía, las energías renovables son con las que más se investiga con nuevos materiales. Se está estudiando con grafeno, nanocelulosa u otros materiales, como de disulfuro de molibdeno para recubrir los paneles solares, ya que el grafeno es un buen conductor de la electricidad y es capaz de producirla a exposición de la luz solar. También podría recubrirse edificios con tejidos inteligentes que puedan generar electricidad o el uso de nuevos materiales más ecológicos para la fabricación de la infraestructura necesaria. Otro campo está en el transporte, utilizando materiales superconductores que permitan un rápido crecimiento de la demanda de vehículos eléctricos y de hidrógeno. También se investiga en el campo de la bioindustria, con materiales biodegradables que sustituyan al plástico o el cemento, como el mater bi, e incluso, desarrollar móviles total o parcialmente biodegradables.
Las energías renovables son muy importantes en el desarrollo de nuevos materiales
La compañía Tesla, una de las compañías automovilísticas con más futuro, fabrica exclusivamente vehículos eléctricos.
Los nuevos materiales aplicados en la medicina tienen varios usos de gran interés para la sanidad. El uso de nuevos materiales será primordial para la construcción de tejidos, órganos y extremidades mejorados mediante la impresión a 3D entre otros o para la reparación de tejidos y órganos con pegamento molecular o de nanopartículas.
Corazón artificial.
El uso de distintos materiales cada vez mejores a lo largo del tiempo ha marcado las etapas de la historia del ser humano, empezando con el uso del hombre primitivo de la piedra, la madera y los huesos para crear objetos elaborados para la cacería. Los seres humanos más tarde descubrieron un nuevo material más eficaz que la piedra, el cobre, extraída del cobre natural y ablandada al calentarlo, comenzando la primera era dentro de la metalurgia, la Edad del Cobre.
Para el 2000 A. C., comenzaba a escasear el cobre y eran muy blandos para usar en armas, hasta que en Oriente Medio descubrieron que al mezclar cobre y estaño surgía un material más duro para usar en armas, el bronce, que dio así la Edad del Bronce.
Más tarde, en la antigua Turquía se descubrió el hierro, y más tarde en alguna parte de África se creó el acero, que marcó la edad de hierro en el uso especialmente de armas hasta entrar bien en el siglo XIX, que con la Revolución Industrial, impulsó el uso del hierro y el acero (del que se ha desarrollado diversas aleaciones) para construir puentes, redes ferroviarias, barcos etc.
El desarrollo en la ciencia de materiales ha sido muy lento, hasta que en el siglo XIX se desarrolló las bases de todo el campo de la ciencia de materiales, con el que se empezó con la clasificación de los elementos en la tabla periódica.
El desarrollo de nuevos materiales en el siglo XX fue más rápido que nunca antes en la historia a causa de las guerras mundiales con el que hubo enormes avances en tecnología militar, desde aviones a reacción hasta la bomba atómica, que tuvieron aplicaciones de todo tipo fuera del campo militar, y por la Guerra Fría, en donde la carrera por la superioridad tecnológica, espacial y armamentística haría necesario la creación de nuevos materiales que utilizamos cotidianamente hoy en día. En ese siglo, los científicos entendieron la relación entre los elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. A partir de entonces desarrollaron todo tipo de materiales sintéticos y marcó en nuestra época dos eras: La era del silicio, con el que se fabrica todos los dispositivos electrónicos, y la era de los polímeros, que son los plásticos y los materiales con el que se compone el calzado y el textil. También en este siglo apareció materiales como el hormigón, el acero inoxidable, etc.
En el siglo XX se comenzaron a investigar con materiales con propiedades extraordinarias. En 1958 se fabricó en Estados Unidos por primera vez la fibra de carbono. Otros materiales con propiedades ilícitas se desarrollaron en estos años fueron el teflón, el kevlar o el nailón.
Los avances científicos y tecnológicos del siglo pasado y sus investigaciones teóricas en el campo de los nuevos materiales, ha dado paso a que hoy en día estén apareciendo materiales más duros que el acero y más elásticos que el plástico, mejores conductores de la electricidad e incluso inteligentes. Habrá que esperar unos años para ver estos materiales en nuestras vidas que veremos como vemos hoy el plástico.
OPINIONES AL RESPECTO
SERGIO: Considero que es muy importante investigas aún más profundamente con estos materiales para así disponer en los años venideros materiales más ecológicos y sostenibles para seguir creciendo y respetando el medio ambiente. También es muy importante que los países colaboren mutuamente para contribuir al desarrollo entre los países.
REFERENCIAS
es.wikipedia.org fibra de carbono/grafeno/nanotubos de carbono
es.gizmodo.com/6-nuevos-materiales-que-cambiarán-el-futuro
es.gizmodo.com/conoce-los-increíbles-usos-de-la-nanocelulosa
www.eldiario.es/.../grafeno-siliceno-nanocelulosa-carbino
www.abc.es/.../abci-carbino-material-más-resistente-que-el-grafeno
elconfi.de/34841/
tecnologíadelosplásticos.blogspot.com/2011/11/fibra-de-carbono.html
tecnología-de-materiales.wikispaces.com
www.cienciasmc.es/web/pdf/u8_nuevosmateriales.pdf
elconfi.de/55203/
www.plataformaarquitectura.cl
www.nationalgeographic.es/.../capa-de-invisibilidad-oculta-acontecimientos
www.iim.unam.mx/.../1-historia%20de%20los%20materiales%202013-2
DEFINICIONES
Streptococcus Pyogenes: Bacteria gram-positiva que crece en cadenas largas que puede provocar la hemólisis.
Material extremo: Materiales que cuentan con propiedades que se pensaban que no podían existir a temperatura ambiente, como el grafeno.
Impresión a 3D: Es un grupo de tecnologías de fabricación a adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material, utilizando para ello impresoras especializadas para la fabricación a adición.
