Así son algunos de los materiales inteligentes de la industria 4.0

Hormigón autorreparable y seda de grafeno: así es la nueva industria de los materiales inteligentes

Los materiales inteligentes pueden mejorar el mantenimiento de edificios e infraestructuras.

Una nueva generación de materiales inteligentes podrá sustituir a los tradicionales en un futuro cercano. Muchos de ellos serán capaces de detectar, reaccionar y adaptarse de forma autónoma a las circunstancias del entorno. Detrás de su desarrollo se encuentran grupos de investigación, empresas punteras y universidades de todo el mundo.

El principal objetivo de estos materiales es optimizar su eficiencia y servir de base a la industria 4.0. Se espera que puedan revolucionar sectores como el de la seguridad, la medicina, la construcción o el transporte. Todo con un mismo objetivo: hacer nuestro entorno más inteligente.

Hormigón que se repara a sí mismo

Durante siglos, se ha experimentado para mejorar los materiales de construcción y poder así levantar edificios más altos y resistentes. ¿Y si el paso siguiente fuese perfeccionarlos hasta el punto de que no necesiten mantenimiento? Esto es lo que tienen en mente científicos del departamento de Concrete Structures de la Universidad Técnica de Delft, en los Países Bajos, que están desarrollando un hormigón que se regenera.

Para prepararlo, se mezcla el cemento tradicional con cepas de una bacteria microscópica diseñada sintéticamente y lactato de calcio. Al entrar en contacto con el agua, estas bacterias se activan y proceden a alimentarse del calcio. Tras la digestión, secretan un material que tiene la propiedad de sellar las fisuras del hormigón, rellenando sus propios huecos.

Entre los nuevos materiales inteligentes destaca el hormigón que se autorrepara

Aunque parece cosa de ciencia ficción, estos científicos se inspiran en la propia naturaleza. La bacteria diseñada sintéticamente imita el comportamiento de la Bacillus Pseudofirmus, que en estado natural puede habitar en ambientes tan hostiles como cráteres de volcanes activos. Y la idea de regenerar un material está presente, sin ir más lejos, en nuestros cuerpos, capaces de cicatrizar heridas. Algunos animales tienen incluso la capacidad de regenerar miembros amputados. El hormigón que se autorrepara es un logro más de la biomimética, la ciencia que estudia la naturaleza para inspirarse en ella.

Este hormigón autorreparable puede suponer un importante ahorro en el mantenimiento de edificios e infraestructuras. En lugares con mucha actividad sísmica puede jugar un papel esencial para mantener las construcciones en buen estado. La reparación de pequeñas grietas que pueden surgir tras movimientos leves pueden marcar la diferencia en la resistencia de la estructura ante terremotos más intensos.

Gusanos de seda que se alimentan con grafeno

La seda es un material muy preciado tanto por la dificultad de su fabricación como por sus características. Es brillante, suave, lisa y absorbe la humedad. Pero es muy demandada, sobre todo, por su resistencia. Es precisamente esta propiedad la que llevó a Yingying Zhang y a otros investigadores de la Universidad de Tsinghua, en China, a intentar combinarla con una de las sustancias más estudiadas del momento: el grafeno.

El grafeno es una sustancia compuesta por carbono puro e integrada por átomos dispuestos en hexágonos. Sus principales cualidades son la resistencia, la ligereza y la conductividad. Es 200 veces más resistente que el acero, 1.000 veces más ligero que el papel y tiene un alto nivel de conductividad térmica y eléctrica.

Para hacer seda reforzada con carbono, el equipo de Yingying Zhang alimentó gusanos con hojas rociadas con mezclas acuosas que contenían nanotubos de grafeno. De esta forma, los gusanos produjeron capullos de seda mejorados con carbono. Comparadas con las de seda regular, estas fibras son el doble de resistentes y, además, conducen la electricidad.

Una investigación para lograr materiales inteligentes se basa en alimentar gusanos con grafeno.

La idea de producir fibras de seda de alta resistencia es muy interesante para el desarrollo de nuevos materiales textiles. El grafeno puede optimizar considerablemente la ropa industrial (con tejidos con alta tolerancia a radiación ionizante), militar (como chalecos antibalas) o incluso los wearables, dispositivos adaptables a las prendas y los movimientos corporales.  

Una de las iniciativas más llamativas es la chaqueta de grafeno desarrollada por Vollebak. En este caso sus fabricantes unieron nanoplaquetas de grafeno con poliuretano. Posteriormente lo unieron al nylon y obtuvieron así un material que conduce calor y energía. Sus creadores tienen en mente diferentes posibilidades para el futuro, como poder cargar dispositivos electrónicos gracias a su material conductivo.

La industria detrás de estos nuevos materiales

El hormigón que se autorrepara y la seda de grafeno son solo algunos ejemplos de materiales inteligentes. En los últimos años se ha trabajado también con la supermadera, un material que puede llegar a ser más resistente que el acero, tinta capaz de producir energía solar o el dicloruro de cromo pirazina, un material que promete cambiar el futuro de la electrónica.

Los centros de investigación y desarrollo de materiales inteligentes son el punto de partida de muchos de los avances tecnológicos y técnicos de los últimos años. En España, el Centro de Materiales de Barcelona (Materfad) o el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) trabajan con proyectos centrados en desarrollar materiales para la ciencia de la información y la electrónica (como materiales magnéticos nanoestructurados), la energía y el medioambiente (como materiales superconductores) y biomateriales (para usos médicos y farmacológicos), entre otros.

Empresas de diferentes campos tecnológicos e industriales están a la espera del desarrollo de estos nuevos materiales para poder incorporarlos a sus productos. Unidos a los tradicionales, los materiales inteligentes podrán optimizar las infraestructuras, los edificios y los vehículos de las smart cities, además de nuestras ropas y aparatos electrónicos.

Las previsiones señalan que en 2050 la cifra de habitantes aumentará hasta casi los 10.000 millones de personas en el mundo. Para entonces, dos de cada tres de ellas vivirán en una ciudad. Uno de los retos para asegurar el bienestar de sus habitantes es garantizar infraestructuras y viviendas seguras y duraderas. Los materiales inteligentes jugarán un papel esencial a la hora de diseñar y construir estas nuevas ciudades.

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