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.
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| 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.
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Representación de una molécula de cristal líquido
como las que se emplean en la fabricación de pantallas ultraplanas. |
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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.
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Plástico y semiconductor: una extraña
pareja con posibilidades de futuro
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Modelo idealizado de las cadenas moleculares
de un polímero conductor (polianilina). Un plástico con propiedades
de semiconductor.
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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.
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Epílogo
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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.
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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
De vuelta a cienciateca:
http://www.cienciateca.com