Materiales invisibles
Pedro Gómez Romero

Además de los materiales cotidianos que configuran nuestro entorno, existe toda una fauna de materiales invisibles. Son especies y subespecies de materiales que no están a la vista pero que constituyen la esencia de multitud de dispositivos y productos que cada vez nos parecen más indispensables.

 
Sólo tienes que mirar a tu alrededor y pararte un momento a pensar en los materiales que usamos para construir nuestras cosas. Metales, plásticos, cada vez menos madera y algún que otro tejido natural están por todas partes. Incluso aunque te escapes a la playa estos materiales te seguirán discretamente en forma de sombrilla o bañador. En casa y en la oficina tenemos también yeso, cemento, gres, vidrio y otros materiales minerales, y el camino lo haremos sobre ruedas de caucho vulcanizado y asfalto derivado del petróleo. Todos estos son materiales estructurales y se usan en la construcción de todo tipo de objetos, grandes y pequeños, modernos o antiguos. Son materiales cuya utilidad reside en sus propiedades mecánicas, resistencia y bajo precio; se producen en cantidades masivas y están a la vista por todas partes.
Pero hay otros materiales mucho menos conspicuos, casi invisibles a nuestros ojos que pasan prácticamente desapercibidos delante de nuestras narices y que no obstante son imprescindibles en numerosas aplicaciones y en dispositivos que hoy en día ya consideramos cotidianos. La televisión, un tubo fluorescente, una cinta de vídeo o la tarjeta de crédito, por ejemplo. No se trata en esta ocasión de materiales estructurales, sino de materiales funcionales, y su utilidad reside no tanto en sus propiedades mecánicas como en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas o electrónicas. Puede que sólo representen una pequeña parte de los dispositivos en los que actúan, pero cumplen en ellos un papel estelar.

Ahí tenemos por ejemplo los materiales fosforescentes de las pantallas de TV, que se iluminan en colores cuando los alcanzan los electrones del tubo de rayos catódicos. A escala casi microscópica se distinguen en la pantalla de televisión pequeños puntos con pigmentos fosforescentes de color rojo verde y azul que forman la imagen. Estos materiales han ido evolucionando y ganando en sofisticación con el tiempo.

estructura RGB (Red-Green-Blue) de nuestras pantallas en color
 En los televisores en blanco y negro por ejemplo el material fosforescente que cubría el interior de la pantalla era una mezcla de sulfuro de cinc (ZnS) y de sulfuro de cinc y cadmio (ZnxCd1-xS) dopados ambos con plata (Ag). La televisión en color impulsó el desarrollo de nuevos materiales fosforescentes y hoy en día se emplean compuestos exóticos a base de las llamadas "tierras raras", elementos metálicos pesados que deben su nombre a su escasa abundancia, pero que cada vez son menos raras y más fáciles de encontrar en nuestras casas. Por ejemplo, el itrio (Y), el neodimio (Nd), el samario (Sm) el europio (Eu), o el gadolinio (Gd) son tierras raras. El vanadato de itrio (YVO4) y más recientemente el óxido de itrio (Y2O3) dopados con una pequeña cantidad de europio se usan como pigmentos fosforescentes rojos en nuestros televisores. El color verde corre generalmente a cargo de un silicato de cinc (Zn2SiO4) dopado con manganeso (Mn) y del color azul se suele encargar el sulfuro de cinc (ZnS) dopado con plata. 
Las tierras raras se emplean también en otros tipos de materiales funcionales. Los granates sintéticos a base de itrio-hierro o itrio-aluminio, tienen un buen mercado como piedras preciosas artificiales pero además se usan en la industria de las telecomunicaciones como filtros de microondas. O las aleaciones de neodimio-hierro-boro o cobalto-samario que forman imanes permanentes de lo mejorcito que hay en el mercado. Otra aplicación muy específica y reciente de tierras raras es el uso de un fosfato de bario y europio en películas sensibles a los rayos-X que permiten la obtención de radiografías de buena calidad con sólo la mitad de exposición del paciente a la radiación 
Los avances en el desarrollo de materiales funcionales son continuos y abarcan efectivamente infinidad de aplicaciones, pero son sólo perceptibles de forma indirecta. A menudo sólo son patentes a través de las mejoras que propician en los dispositivos donde residen y a veces pueden pasar incluso desapercibidos. Como en el caso de las películas ultrasensibles a los rayos-X, que pasarán normalmente desapercibidas para los pacientes que se beneficien de ellas.

Sin embargo, en los tiempos que corren no faltan ejemplos de avances tecnológicos evidentes para cualquiera y que están fundamentados en buena parte en el desarrollo de nuevos materiales funcionales. Por ejemplo, el salto de ordenadores de sobremesa a ordenadores portátiles fue posible no sólo gracias a la miniaturización de la electrónica, sino también gracias a la incorporación de pantallas planas que pudieran sustituir al voluminoso tubo de rayos catódicos. Estas pantallas se pudieron desarrollar gracias al descubrimiento de un tipo de materiales con una estructura y unas propiedades ópticas muy peculiares: los cristales líquidos. Materiales con moléculas alargadas que se orientan de forma ordenada como en los sólidos cristalinos pero que pueden desplazarse unas respecto a otras, como en un líquido. Los cristales líquidos pueden permitir el paso de la luz o pueden bloquearla inducidos por la acción de un campo eléctrico y gracias a ello sirvieron para el desarrollo de pantallas planas, que además de en ordenadores portátiles se usan también en calculadoras, teléfonos móviles, paneles electrónicos y otros dispositivos.
 

Representación de una molécula de cristal líquido como las que se emplean en la fabricación de pantallas ultraplanas.
Estructura de una célula solar fotoelectroquímica. El ITO (Indium-Tin Oxide) es un material esencial en el diseño de éste y cualquier otro tipo de dispositivos en los que se precise conducción eléctrica y transparencia óptica (por ejemplo en pantallas planas. El ITO es un material literalmente invisible

Por otra parte, para el desarrollo de pantallas planas fue necesario contar también con materiales conductores transparentes en forma de finas películas depositadas sobre el vidrio para actuar como electrodos sin bloquear el paso de la luz. En este caso se trataba de conseguir un electrodo literalmente invisible. El óxido de estaño dopado con indio (SnO2:In2O3. ITO, según sus siglas en ingles, indium-tin oxide) vino a cubrir el hueco tecnológico gracias a su peculiar combinación de propiedades semiconductoras y transparencia óptica y dio pie a su vez al desarrollo de toda una nueva línea de aplicaciones impensadas hasta entonces.

La lista de nuevos materiales imprescindibles para convertir en portátil el ordenador personal no acaba ni mucho menos en la pantalla. La batería es otra fuente de nuevas demandas tecnológicas. El equipo portátil necesita una fuente autónoma de alimentación, pero una batería recargable convencional a base de plomo sería demasiado pesada y con poca carga. ¿Quién compraría un portátil en el que la batería pesara más que el resto del equipo?. Un diseño práctico requería baterías más ligeras. En este caso fue el oxihidróxido de níquel (NiOOH) el que llegó al rescate como material electroactivo en los cátodos de baterías de níquel-cadmio (NiOOH/Cd) y de níquel-hidruro metálico. Ambas pueden almacenar mucha más carga por unidad de masa (carga específica) que las de plomo. Cuando en nuestros portátiles, teléfonos móviles o videocámaras coloquemos baterías recargables de litio, todavía con mayor carga específica y menor impacto medioambiental, habremos dado un paso más en nuestro largo camino de evolución tecnológica. Los nuevos materiales que lo hacen posible, óxidos mixtos como el LiCoO2, el LiMn2O4 y otros óxidos, seguirán escondidos a nuestra vista pero el menor peso del equipo y la mayor duración de la carga de la batería nos recordarán que están allí.

El óxido LiMn2O4 es uno de los materiales en estudio para el desarrollo de nuevas baterías recargables de ion litio. La figura muestra su estructura (tipo espinela) en la que los iones Li+ (azules)se difunden a través de una red tridimensional

Baterías más ligeras y con mayor capacidad de carga, o dispositivos de almacenamiento de energía ultraplanos y flexibles son sólo algunos de los productos que nos irán sorprendiendo en un futuro próximo gracias al desarrollo de nuevos materiales funcionales. Pero no serán los únicos. Los materiales semiconductores como el silicio, que ha reinado en los chips de los ordenadores desde su nacimiento permitieron en su momento toda una revolución tecnológica e industrial con su implantación en el "Silicon Valley" californiano. Pero a pesar de numerosas mejoras técnicas logradas con muchos años de investigación y desarrollo, el silicio sigue siendo caro y delicado. 
 

Plástico y semiconductor: una extraña pareja con posibilidades de futuro
Modelo idealizado de las cadenas moleculares de un polímero conductor (polianilina). Un plástico con propiedades de semiconductor.

Ya hace años que investigadores de todo el mundo buscan alternativas que pudieran suplirlo al menos en algunas aplicaciones. Una de estas alternativas, que hoy puede parecer de ciencia-ficción es el desarrollo de semiconductores poliméricos. De momento no se trataría de sustituir al silicio en los ordenadores, sino de inaugurar nuevas aplicaciones basadas en circuitos y dispositivos electrónicos hechos de materiales plásticos, baratos, flexibles y resistentes. Desde los años 80 se conocen las peculiares propiedades de toda una familia de polímeros orgánicos capaces de conducir la corriente eléctrica en determinadas condiciones e impedir su paso en otras, de forma similar a como lo hace el silicio. Estos primeros materiales orgánicos encontraron pronto diversas aplicaciones como materiales funcionales, pero en el duro terreno de los semiconductores industriales no eran muy eficientes comparados con el silicio. Sin embargo, los esfuerzos continuados de muchos laboratorios han ido dando sus frutos. Recientemente se han desarrollado materiales orgánicos de segunda generación, así como otros materiales inorgánicos e incluso híbridos orgánico-inorgánicos que se van acercando en eficacia al silicio. Ahora ya parece sólo cuestión de tiempo que algunos de ellos lleguen a alcanzar un nivel práctico de aplicación para que empecemos a ver etiquetas plásticas computerizadas o paneles electrónicos flexibles y posiblemente nuevas aplicaciones que superarán nuestras expectativas. Nuevas aplicaciones que serán posibles gracias al desarrollo de materiales que no podremos ver.
 
Epílogo
Materiales avanzados, científicos de hoy.

Hace treinta años, cuando la humanidad ya había alcanzado la luna y nuestra democracia estaba todavía por llegar, la tecnología era ya la punta de lanza en el desarrollo económico de los países industrializados.Sin embargo, hace tan sólo treinta años, los materiales sobre los que se asentaba dicha tecnología eran suficientemente cotidianos y limitados en número como para ser socialmente asimilables. Los metales eran los de toda la vida, opacos y buenos conductores, los plásticos eran aislantes y el diamante era el único duro de la película. Pero en un corto espacio de tiempo nos han cambiado mucho las cosas. Los científicos del gremio parecemos empeñados en poner apellidos exóticos a los más variados materiales. En el mercado tecnológico tenemos ahora nuevos productos como los óxidos superconductores, el carbono molecular, los polímeros conductores e incluso los metales transparentes. Es natural que la gente se pregunte qué es todo esto. ¿Se trata de una revolución en marcha o de una moda pasajera impulsada por los científicos en sus torres de marfil?. En definitiva, ¿para qué queremos polímeros conductores?, ¿por qué necesitamos metales transparentes?. ¿No nos vale con nuestros polímeros transparentes y nuestros metales conductores?. 

La respuesta es sencilla; si decidimos limitarnos a disfrutar de los dispositivos y tecnologías de hace treinta años, entonces, efectivamente no nos hacen falta nuevos materiales. Pero si pretendemos continuar, aun humildemente, el camino que va de la piedra filosofal a la ciencia y tecnología del mañana, necesitaremos materiales avanzados. Materiales que se adelantan a sus propias aplicaciones y que en algunos casos pueden llegar a constituir el germen de nuevas tecnologías. Como los materiales funcionales que se describen en este artículo y muchos otros que darían para escribir muchos otros artículos como éste.
Así pues, sin dejar de investigar en la mejora de los materiales convencionales, se diría que no conviene perder el tren de los materiales avanzados. A diferencia de hace treinta años nuestro país ha puesto un pie en el espacio, en compañía de países del primer mundo, y nuestra sociedad reconoce la necesidad de invertir en el futuro. El esfuerzo de mucha gente durante décadas ha propiciado que hoy el nivel de investigación científica y tecnológica en España sea comparable al de otros países europeos, a pesar de nuestro inferior nivel de financiación. El área de ciencia de materiales, por su propia naturaleza, puede servir de puente entre la investigación científica básica y la aplicación industrial. En este sentido, junto con un aumento espectacular de productividad científica en ciencia de materiales, nuestro país cuenta ahora mismo con un recurso de mayor importancia si cabe. Se trata de una nueva generación de físicos, químicos e ingenieros que se han curtido en la investigación, básica y aplicada, en la resolución de dilemas técnicos, en el desarrollo de materiales y prototipos; jóvenes científicos a los que no asusta enfrentarse a problemas del mundo real y que son la fuente de recursos tecnológicos que necesitan las industrias con verdadera voluntad de innovación y visión de futuro.

Para saber más

Physics 2000 (En inglés) Una página web interactiva donde podrás ver cómo funcionan la televisión, pantallas de cristal líquido, etc. Con numerosos accesorios (Java applets) de gran valor pedagógico. Busca "Table of Contents". En inglés
http://www.colorado.edu/physics/2000/introduction.html

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