La promesa de los materiales avanzados

Los materiales del mañana están diseñando una revolución de productos en las escalas más pequeñas, mucho más allá de lo que el ojo puede ver a través de un microscopio óptico. Lo que el material puede hacer ya no se “descubre”, como ocurría en el pasado, cuando, por ejemplo, la resistencia de una tabla de roble de un barco se “descubría” cuando la tabla se rompía.

En cambio, los científicos de TE y sus socios están inventando materiales “no naturales”. Los avances en la nanotecnología, el modelado informáticos, la informática de materiales impulsados por IA y los diseños inspirados en la naturaleza permiten a los ingenieros manipular las propiedades y características de un producto de maneras que no hace mucho tiempo habrían parecido mágicas.

Hemos llegado al punto de dominio del material que podemos programar a nivel molecular funciones y características en objetos aparentemente inertes para satisfacer nuestras necesidades.

TE fabrica componentes y subsistemas esenciales de alta ingeniería en todos los productos imaginables, en todos los entornos hostiles para los materiales: desde el lavavajillas de tu cocina hasta tu nuevo vehículo eléctrico, el cuerpo humano o el centro de datos al que accedes por satélite a través del cual estás leyendo esto. Por lo tanto, los materiales son muy importantes para TE. Así es como mejoramos la sostenibilidad de nuestro mundo, cómo copiamos la elegancia de los diseños de la naturaleza y cómo cambiaremos la faz de la fabricación.

Las empresas que reconocen el potencial de crecimiento exponencial de los materiales avanzados pueden comenzar a desarrollar productos y procesos de fabricación para ayudarlos a destacarse de su competencia. Para ayudar a comprender las posibilidades de los materiales avanzados, considera estas tres áreas de innovación.

Casi todos los seres vivos necesitan oxígeno, y casi todos los procesos de fabricación de materiales emiten gases de efecto invernadero. Esta realidad presenta un desafío en torno a cómo podemos reducir el CO2 sin dejar de producir cosas que el mundo necesita. Desafortunadamente, el reciclaje por sí solo no nos llevará allí, ya que esos materiales por lo general son más difíciles de obtener, cuestan más y deben someterse a un reprocesamiento riguroso. Además, debemos observar todo el ciclo de vida de los materiales, no solo una fase.

Parte de la respuesta es buscar nuevos materiales a partir de ingredientes renovables y específicos derivados de la biomasa y muchas opciones (creativas). Como un ejemplo exótico, considera los monómeros bioplásticos de shrilk. El ingrediente clave del shrilk es la quitina, la sustancia que le da a los insectos y crustáceos como los camarones sus duros caparazones. La quitina es el segundo material orgánico más abundante en la Tierra y puede transformarse en un material similar al plástico llamado quitosano. Cuando se combina el quitosano con una proteína de seda natural llamada fibroína, se crea un material laminado que es más resistente que el aluminio.

Los fabricantes pueden reducir su dependencia de los materiales derivados del petróleo a través del reciclaje, al agregar nuevos ingredientes a los materiales reciclados de menor calidad para transformarlos en algo más valioso. Las diez mil millones de botellas de agua que se producen al año son un gran ejemplo. Supongamos que despolimerizamos estas botellas de agua (es decir, las descomponemos en monómeros básicos). En ese caso, podemos agregar nuevos componentes de material, luego, volver a polimerizar (es decir, unir todos los monómeros básicos nuevamente) la nueva receta y crear algo único. Las posibilidades son infinitas. Esas botellas de plástico recicladas pueden convertirse en fundas de almohada y conectores de alta velocidad para centros de datos.

Esperamos ver la aparición de materiales “inteligentes” que ofrezcan el siguiente nivel de funcionalidad. Los materiales inteligentes reconocen estímulos externos, como la temperatura, la tensión o la corriente eléctrica, y luego reaccionan de manera predecible al cambiar la forma, el color u otras propiedades.

Pensemos en un material tan omnipresente como el concreto. A pesar de su resistencia y versatilidad, el concreto aún desarrolla grietas con el tiempo que requieren un mantenimiento regular para que la estructura mantenga su integridad. Los científicos ahora han creado un nuevo tipo de concreto inteligente que puede repararse a sí mismo a través de bacterias incrustadas. Cuando las bacterias encuentran agua, producen una sustancia similar a la piedra caliza que llena las grietas.

La naturaleza está demostrando ser una buena fuente de inspiración para materiales inteligentes. Después de todo, la naturaleza ha desarrollado su propia gama de patentes a lo largo de millones de años de evolución.

Un ejemplo es la superficie del ala de una libélula: una superficie de púas increíblemente finas cuando se ve bajo un microscopio. Cuando una bacteria cae sobre ella, las púas en el ala de la libélula rompen el organismo invasor, y lo matan.

A partir de ese modelo, TE está desarrollando superficies de materiales mecano-bactericidas que utilizan púas similares para matar bacterias al contacto. Piensa en el plástico antibacteriano envuelto alrededor del mango de un carrito de compras o la barandilla del tren del aeropuerto, donde el mango que se toca con frecuencia queda estéril de forma permanente. Este diseño de superficie podría ser una nueva arma contra la infección en productos médicos o relacionados con los alimentos.

El desarrollo de la impresión 3D ya ha transformado el proceso de fabricación e ingeniería, pero los nuevos avances en materiales de impresión 3D permitirán aún más innovación. Por ejemplo, los nuevos materiales de impresión 3D de alta calidad pueden soportar temperaturas de hasta 850 grados Celsius, lo que abre una gama más amplia de productos que se pueden fabricar bajo demanda, y aumenta la flexibilidad y la viabilidad de la fabricación en ubicaciones de alto costo.

Además, los productos se pueden hacer más rápido, con nueva libertad de diseño. Es mucho más rápido imprimir algo desde la pantalla de tu computadora que fresar un molde de un bloque sólido de acero endurecido.

La nueva ingeniería de materiales acelerará la adopción de la impresión 3D y, en última instancia, permitirá una nueva era de producción flexible y personalización masiva donde el material colabora con el diseño. Los diseñadores de productos copiarán las lecciones de la naturaleza, al incorporar superficies curvas y formas topológicas sutiles y probadas por la evolución que optimizan el intercambio de calor. Cuando podamos diseñar y fabricar como lo hace la naturaleza, habremos llegado a una nueva etapa, y la impresión 3D combinada con nuevos materiales es el medio para ese fin.

Las historias humanas y materiales han evolucionado juntas. Pero, hasta hace poco, hemos “descubierto” materiales naturales y sus propiedades al probarlos en las cosas que hemos hecho. Ya sea en las casas redondas de la Edad de Hierro, cuando se descubrió qué tejado de paja podía resistir un lluvioso invierno europeo, o cuando los romanos descubrieron por casualidad el concreto, que permitió construir vastos viaductos sin igual incluso hoy en día. Ahora estamos imaginando casos de uso y, luego, diseñando materiales para apoyar el caso de uso, a medida que nuestra comprensión del mundo material y nuestro poder para manipularlo se expande de forma exponencial. Y esto marcará la diferencia. TE tiene la intención de moldear el futuro e imprimirlo en 3D al aplicar una gran ciencia a los problemas más difíciles,  y rehacer nuestro mundo a pequeña escala.