Oportunidades en Materiales

04/04/2016
Se estima que más del 70% de las innovaciones tecnológicas del próximo futuro depende, directa o indirectamente, del desarrollo de materiales avanzados.

La economía industrial que conocemos es posible gracias a la explotación de una gran variedad de materias primas. El aumento de la población global, y en especial su concentración en las ciudades, implicará un incremento de la demanda de productos y serviciosque la industria intentará saciar. Así, como simple ejemplo, se estima que en 2030 habrá más de 1700 millones de automóviles en el mundo, cuya fabricación demandará un 80% más de hierro que el utilizado en esta industria en 2010.

Quizás un avance del escenario de extrema competencia por los recursos lo encontramos ya en el mercado de las tierras raras (rare earths)Grupo compuesto por 17 elementos químicos, especialmente metales y minerales, que hoy son muy codiciados para la fabricación de instrumentos tecnológicos como reactores nucleares, tecnología láser y baterías entre otros. Su nombre se debe a que su extracción es bastante dispersa y no concentrada como ocurre en la mayoría de los otros elementos., esos 17 elementos químicos de la tabla periódica que se han demostrado críticos en industrias avanzadas, como la electrónica. En realidad, no se trata de elementos escasos en la corteza terrestre, sino que se presentan en ella en bajas, o muy bajas, concentraciones, y su extracción requiere procesos costosos. Se estima que China produce el 97% de las tierras raras del mundo, aunque contiene sólo el 30% de las reservas del planeta. Emerge como oportunidad el reciclaje de tierras raras, presentes en los millones de toneladas de desechos electrónicos hasta hoy poco aprovechados (así, por ejemplo, sólo el reciclaje de lámparas fluorescentes realizado en Francia podría asegurar la “independencia” de Europa en terbioElemento químico. El terbio no se encuentra nunca en estado libre en la naturaleza, sino contenido en diversos minerales como la cerita, la gadolinita, la monazita, la xenotima y la euxenita, algunos de ellos con un contenido inferior al 1% de terbio. Los principales yacimientos comerciales de este elemento químico se encuentran en el sur de China., una de las tierras raras).

La relevancia industrial y económica de los recursos naturales convierte a algunos de ellos en materiales conflictivos, y nutren problemas territoriales que puedan acabar en conflictos armados (en especial en África), alimentan exportaciones ilegales, y afectan a los derechos humanos de grandes poblaciones (señores de la guerra que imponen su dominio). Es el caso, por ejemplo, de los tres minerales conflictivos del 3TG: tántalo (coltan), tin (estaño), tungsteno y oro. Las empresas deben establecer medidas de seguridad para evitar participar en el flujo ilegal de estos materiales conflictivos (cumpliendo con las reglas de la SEC Conflict Minerals regulation).

Se investiga en materiales avanzadosLos materiales avanzados son materiales con propiedades (ópticas, mecánicas, estructurales, electrónicas, etc.) distintivamente diferentes a las de los materiales estructurales tradicionales. Fruto de la investigación con tecnologías como la nanotecnología y la fotónica, los materiales avanzados nacen para satisfacer nuevas necesidades tecnológicas o sociales. Un ejemplo de material avanzado lo constituyen los materiales funcionales que presentan propiedades físicas y químicas que resultan sensibles a cambios ambientales, tales como temperatura, presión, campos eléctricos, etc. Otro ejemplo de materiales avanzados son los materiales biocompatibles, que son de interés en aplicaciones médicas. en telecomunicaciones (para aumentar la velocidad de proceso de la información, o para fabricar sensoresAparato que detecta y responde a información de su entorno físico. de todo tipo), en automoción (materiales más ligeros y resistentes, y baterías eléctricas más eficientes), en electrónica de consumo (tecnologías de quasi3D para pantallas, por ejemplo), en construcción e ingeniería (nuevos materiales más ligeros y manejables), y también en medicina y salud (nanopartículasUna nanopartícula (nanopolvo, nanoracimo, o nanocristal) es una partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100 nanometros. Actualmente las nanopartículas son un área de intensa investigación científica, debido a la amplia variedad de aplicaciones potenciales que presentan en los campos biomedicina, óptica y electrónica.que ataquen objetivos muy específicos en un paciente), etc.

Entre los objetivos de investigación podemos subrayar: nuevos polímeros, materiales compositesEn ciencia de materiales, reciben el nombre de materiales composite, o compuestos, aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. y cerámicos, materiales estructurados, materiales construccionales materiales que se “autorreparan” (self-healing materials), biomateriales (por ejemplo, materiales para la regeneración de huesos), bioinstrumentos (materiales que permitan wearablesRopa o accesorios que incorporan tecnologías electrónicas avanzadas. de bajo peso), materiales para la captación y transmisión de energía (para la captación y conversión directa de energía solar en electricidad, en base a grafenoSustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos. Se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco veces más ligero que el acero.u otros materiales),  materiales fotónicos Ciencia de la detección, generación y manipulación de fotones. La fotónica empezó con la invención del láser en 1960. La fotónica está en la base de la revolución que se dio a finales del s.XX en las telecomunicaciones con la introducción de la transmisión por fibra óptica. Las aplicaciones potenciales de la fotónica son virtualmente ilimitadas e incluyen la síntesis química, el diagnóstico médico, la comunicación de datos on-chip y la obtención de energía mediante fusión.electrónicos y magnéticos, materiales con bajo impacto ecológico (green materials), materiales para filtros de desalinización del agua marina, etc., y todo ello a nivel macro, micro y nano. La nanotecnología es una de las disciplinas científicas más prometedoras en este campo.

Podemos esperar innovaciones disruptivas como la aparición de materiales carbono-negativos que capturen y encapsulen CO2 del aire (carbon sequestration methods),  aerogelesMaterial sintético poroso y ultraligero, gran aislante térmico y con conductividad eléctrica cercana a cero. de alta resistencia y muy bajo peso, materiales que permitan convertir directamente el calor residual de las máquinas en energía (a partir, por ejemplo, de skutterudites), o la ingeniería a nivel molecular que posibilite la materia programableNuevo campo de la ingeniería que abarca el estudio de nano-robots reconfigurables (átomos de clatrónics, o cátomos) diseñados para formar mecanismos o máquinas de gran escala. Los cátomos serán computadoras de sub-milímetros que tendrán la habilidad de moverse, comunicarse con otras computadoras, cambiar de color, y conectarse entre sí electrostáticamente para formar nuevos objetos. Los objetos hechos con cátomos podrán transformarse en casi cualquier otro objeto..

La Unión Europea ha destacado el campo de los nuevos materiales como una de las seis tecnologías críticas para el futuro (6 KET: key enabling technologies), como una tecnología transversal que afecta a muchos sectores industriales.