Las innovaciones en ciencia de los materiales desempeñan un papel crucial a la hora de fabricar productos más resistentes, seguros y sostenibles. Como se señala en nuestro artículo sobre las tendencias emergentes que debemos observar en 2025, los avances en ciencia de los materiales impulsan mejoras en bienes de consumo, edificios, construcción, energía y mucho más. Algunos de estos avances llegan a ámbitos que hasta hace poco se consideraban ciencia ficción, pero estos logros científicos se están convirtiendo en realidad y mejoran los espacios en los que vivimos y trabajamos y los productos que utilizamos.
Vea la grabación de nuestro seminario web del 24 de abril, en el que el Dr. Harold Boone, de Dow, junto con Leighton Jones y Janet Sasso, de CAS, debatieron estas tendencias en un contexto más amplio de avances científicos.
Los metamateriales mejoran las comunicaciones inalámbricas y mucho más
Los avances en el diseño y la simulación computacional, la impresión 3D, la litografía y el grabado permiten fabricar diferentes metamateriales —materiales artificiales diseñados con propiedades que no se encuentran en la naturaleza— para una amplia gama de aplicaciones. El orden de su arquitectura genera las propiedades únicas de los metamateriales, y las mejoras en la forma en que los científicos diseñan y manipulan estas estructuras dan lugar a nuevos usos.
Los metales, los dieléctricos, los semiconductores, los polímeros, los cerámicos, los nanomateriales, los biomateriales y los compuestos son los materiales fundamentales utilizados para construir metamateriales. Al ajustar sus estructuras con precisión, los científicos pueden producir metamateriales con propiedades como un índice de refracción negativo, la capacidad de manipular la radiación electromagnética, la permitividad eléctrica y magnética adaptada y la capacidad de manipular ondas acústicas y sísmicas.
A través de los cambios que a menudo se producen a nanoescala, estas propiedades impulsan nuevos usos para los metamateriales, como la mejora de las redes 5G. Las ondas milimétricas utilizadas en el 5G tienen un alcance limitado y se bloquean fácilmente con las estructuras. Los metamateriales integrados en las antenas pueden mejorar la recepción, al aumentar la eficiencia y el ancho de banda de las antenas. Las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) pueden reflejar y refractar las señales 5G para mejorar la recepción de la señal dentro de los edificios. La mejora de la recepción 5G con metamateriales reduce el coste de construir más torres de telefonía móvil y hace que la recepción rápida de la señal sea más accesible para todos.
Otras aplicaciones novedosas destacadas de los metamateriales son:
- Protección contra terremotos: los metamateriales pueden atenuar la intensidad de las ondas sísmicas y resistir su propagación a través de las estructuras, protegiéndolas de los daños. El acero y los metamateriales de doble grado, como el polímero reforzado con fibra de carbono, se han utilizado con eficacia para esta aplicación. La inclusión de estos metamateriales en la construcción podría suponer importantes mejoras de seguridad en las zonas sísmicas.
- Imágenes médicas: los metamateriales mejoran la relación señal-ruido de las máquinas de resonancia magnética, lo que permite obtener imágenes de mayor resolución. También ayudan a proteger otros órganos frente a la absorción de radiación electromagnética no deseada. Se ha demostrado que las metasuperficies fabricadas con alambres de latón no magnético mejoran la sensibilidad del escáner, la relación señal-ruido y la resolución de las imágenes de resonancia magnética.
- Capas de invisibilidad: mediante el control preciso de las propiedades electromagnéticas de diversos metamateriales, las ondas de luz pueden redirigirse alrededor de un objeto y crear la impresión de que este no está presente. Por ejemplo, el uso de una metasuperficie altamente transparente con cristales fotónicos dieléctricos que exhiben dispersiones tipo cono de Dirac puede materializar la capa de invisibilidad, algo que parecía imposible.
- Recolección de energía: Las propiedades únicas de los metamateriales pueden convertir diversas formas de energía ambiental, como ondas electromagnéticas, ondas sonoras o incluso vibraciones mecánicas, en energía eléctrica. Se ha descubierto que un metamaterial basado en fluoruro de polivinilideno (PVDF) era capaz de convertir la energía mecánica en energía eléctrica, lo que también tiene la ventaja adicional de aislar las vibraciones.
Múltiples materiales mejoran la descarbonización de los edificios
A medida que avanza el calentamiento global, se necesita más aire acondicionado para mantener los ambientes interiores confortables. Al mismo tiempo, el aumento del uso de fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, requiere un almacenamiento de energía que maximice el suministro energético durante los periodos de máxima demanda que no coinciden con condiciones de sol o viento.
Los sistemas de energía térmica, también llamados baterías térmicas, se están comercializando cada vez más para mejorar la eficiencia y la conductividad térmica de los edificios de calefacción y refrigeración y para aprovechar la generación de energía renovable. Los componentes clave de estos sistemas son los medios de almacenamiento de energía térmica, el aislamiento y un intercambiador de calor.
Algunos ejemplos de medios de almacenamiento de calor son el agua, los ladrillos o el hormigón, la cerámica, el grafito, los óxidos metálicos o las sales fundidas, todos ellos con una alta capacidad de almacenamiento de calor. Estos sistemas también pueden utilizar materiales de cambio de fase que almacenan el calor al pasar de estado sólido a líquido. La cera de parafina, los hidratos de sal, los ácidos grasos, el polietilenglicol y la sal de Glauber son ejemplos de materiales de cambio de fase utilizados en el almacenamiento de energía térmica. Por último, estos sistemas pueden utilizar materiales que almacenan calor mediante reacciones químicas reversibles, como la pérdida de agua. Entre los materiales termoquímicos innovadores para estos procesos se encuentran las zeolitas, los hidruros metálicos y los hidróxidos.
También existen sistemas de almacenamiento de energía térmica que utilizan materiales de almacenamiento térmico a base de agua para soluciones de aire acondicionado. Estos sistemas refrigeran los edificios utilizando muy poca electricidad en momentos de picos de precios, lo que permite mantener los edificios a una temperatura confortable y reducir el coste energético. Los materiales de cambio de fase también se utilizan actualmente en sistemas de almacenamiento de energía térmica para calentadores de agua e incluso en procesos industriales que requieren mucho calor. Pueden ayudar a descarbonizar las industrias pesadas, que han tenido dificultades para reducir sus emisiones.
No solo aislamiento: los aerogeles encuentran nuevas aplicaciones
Los aerogeles, a veces llamados «humo congelado», son materiales ligeros con alta porosidad que se descubrieron en 1931. Los nuevos descubrimientos están haciendo que estos materiales sean más duraderos y, por lo tanto, adecuados para más aplicaciones. Los aerogeles se sintetizan a partir de un gel cuyo componente líquido se sustituye por un gas, manteniendo la integridad del gel. Esto se consigue mediante novedosos métodos de secado, que ahora permiten formar una microestructura dendrítica robusta y ultraligera con poros de menos de 100 nm y hasta un 99,8 % de espacio vacío.
Los aerogeles de sílice se han utilizado ampliamente en el aislamiento térmico y acústico. Sin embargo, los aerogeles de polímeros sintéticos ofrecen una mayor resistencia mecánica que los aerogeles a base de sílice y son más adecuados para aplicaciones de almacenamiento y conversión de energía. Los aerogeles de polímeros de origen biológico también pueden diseñarse para aplicaciones biomédicas, como la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa y los sistemas de administración de fármacos. Además, los compuestos de aerogel fabricados con MXenos y estructuras metalorgánicas (MOF) presentan una conductividad eléctrica, una robustez mecánica y una capacitancia específica excepcionales, que superan a las de los supercondensadores convencionales.
Entre las aplicaciones emergentes de los aerogeles, más allá del aislamiento, se incluyen:
- Ingeniería biomédica, donde los aerogeles se utilizan para la administración de fármacos, agentes cicatrizantes, antioxidantes, andamiajes tisulares y mucho más.
- Almacenamiento de energía, donde las aplicaciones incluyen una amplia gama de usos, como baterías recargables, supercondensadores y pilas de combustible.
- Remediación ambiental, donde la alta porosidad, ligereza y respeto al medioambiente de los aerogeles los hacen ideales para fines como la limpieza de vertidos de petróleo.
El número de características y aplicaciones de los aerogeles es realmente notable. Es posible que incluso encuentre aerogeles en su protector solar, ya que la industria cosmética utiliza cada vez más estos materiales como agentes de protección contra los rayos UV.Los aerogeles compuestos de TiO2-sílice tienen propiedades fotoprotectoras y, al añadirlos a las fórmulas de los protectores solares, aumentan el factor SPF más allá de lo que pueden alcanzar las fórmulas convencionales en la actualidad. Además, son resistentes al agua, tienen un efecto mate en la piel y no dejan capa blanca después de su aplicación.
Materiales inteligentes en aplicaciones de construcción que reducen las emisiones
Los edificios en funcionamiento representan el 30 % del consumo energético mundial. Su construcción también genera emisiones significativas: el hormigón es responsable de aproximadamente el 8 % de las emisiones globales y es el segundo material más utilizado en el mundo, después del agua. Con el uso de materiales innovadores que duran más y requieren menos energía o calor para su producción, la industria de la construcción puede mejorar su tasa de descarbonización. Además, los materiales que pueden ser más eficientes en la calefacción o la refrigeración de una estructura existente serán importantes para reducir las emisiones del sector de la construcción en general.
El hormigón autorreparable y las ventanas electrocrómicas, dos ejemplos importantes de materiales de construcción inteligentes, están pasando de la teoría a la práctica y a punto para ayudar a controlar las emisiones de sectores con emisiones difíciles de reducir, como la construcción. El hormigón tiende a agrietarse de forma natural, y su reparación o sustitución por más hormigón genera muchas emisiones. Las innovaciones en agentes de curación y técnicas de encapsulación están haciendo posible el hormigón autorreparable. Basilisk, por ejemplo, utiliza tres bacterias diferentes (Bacillus subtilis, Bacillus pseudofirmus y Bacillus sphaericus) que producen piedra caliza al exponerse al oxígeno y al agua. Cuando el hormigón que contiene esta mezcla se agrieta, el oxígeno y la humedad del entorno activan la producción de piedra caliza en las bacterias para reparar las grietas.Los avances basados en el silicio también están impulsando innovaciones en el hormigón hidrófobo.
Más allá del proceso de construcción, las nuevas aplicaciones de la ciencia de los materiales contribuyen a mejorar la huella de carbono de los edificios a lo largo de su vida útil. La tecnología de ventanas inteligentes que utiliza láminas electrocrómicas puede reducir el consumo de energía en los edificios por medio de bloquear la luz. El trióxido de tungsteno y el óxido de níquel son algunos de los materiales electrocrómicos utilizados en las ventanas electrocrómicas. Al aplicar un campo eléctrico a la película de cristales líquidos dispersos en polímero (PDLC), la disposición de sus moléculas cambia de forma ordenada para crear transparencia, bloqueando o transmitiendo la luz, lo que da como resultado una ventana opaca o transparente.
El bambú ofrece productos de consumo mejores y más sostenibles
El uso del bambú se remonta a siglos atrás, pero los recientes avances en su procesamiento e ingeniería demuestran que estos materiales pueden ser una alternativa sostenible a los polímeros puros, con aplicaciones en múltiples sectores. A medida que crece la demanda de materiales más sostenibles, se prevé que el mercado de los productos de bambú pase de unos 73 000 millones de dólares en 2025 a más de 111 000 millones en 2034.
El bambú es un recurso sostenible: crece más rápido que los árboles, se regenera continuamente y captura más carbono que la mayoría de los árboles. A menudo se combina con polímeros sintéticos no biodegradables para mejorar sus propiedades mecánicas, en particular su resistencia. Los compuestos de fibras de bambú con termoplásticos y termoestables muestran propiedades mecánicas similares o mejores que los polímeros originales, como la resistencia a la tracción, el módulo y la elongación. En concreto, los nuevos compuestos fabricados con fibras de bambú y polímeros termoendurecibles, como el fenol-formaldehído y el epoxi, presentan las mejores propiedades mecánicas. La plastinación, que consiste en la deshidratación y la infusión de polímeros como la silicona y el poliéster, también hace que el bambú sea más duradero.
Estudios recientes muestran que cuando el biopolímero ácido poliláctico se combina con polvo de fibra de bambú y aerogel de sílice, el compuesto resultante tiene propiedades mecánicas mejoradas, como la resistencia a la tracción y el módulo de Young, así como un mejor efecto de barrera al vapor de agua y al oxígeno, en comparación con el ácido poliláctico. Estas propiedades mecánicas mejoradas tienen posibles aplicaciones en la fabricación de embalajes sostenibles.
El desajuste entre la oferta y la demanda es un reto constante para la adopción generalizada del bambú. Sin embargo, los recientes avances en biotecnología, como la propagación in vitro y el cultivo de tejidos, hacen que la producción de bambú sea más eficaz y fiable, al tiempo que se evita la sobreexplotación de los recursos. Con la expansión del mercado de los productos de bambú a los muebles, los envases, los productos de cuidado personal y la ropa, este material cobrará cada vez más importancia a la hora de ofrecer productos más sostenibles a los consumidores.
Tejidos térmicamente adaptables que mejoran el rendimiento, la seguridad y la comodidad
Ya sea para los atletas que hacen ejercicio a altas temperaturas o para los bomberos que se enfrentan a condiciones peligrosas, la ropa desempeña un papel crucial para mantenernos cómodos, seguros y capaces de rendir al máximo. Las innovaciones en textiles térmicamente adaptables respaldan estas capacidades gracias a los polímeros, los aerogeles y los compuestos inteligentes.
Los tejidos adaptables actuales utilizan el aislamiento térmico, la gestión de la humedad, el tamaño dinámico de los poros, el termocromismo y la recogida de calor radiante para que la ropa responda mejor a las diferentes condiciones ambientales. Entre los últimos avances se incluyen:
- Modulación óptica: los nuevos tejidos pueden cambiar la cantidad de luz que absorben en respuesta a las fluctuaciones de temperatura. El grafeno, el tejido de fibra de grafeno y poliacrilonitrilo y las nanofibras de poliacrilonitrilo han demostrado su eficacia. Los tejidos ópticos son estéticamente agradables y pueden utilizarse para la fototerapia y la detección de signos vitales.
- Materiales termorreactivos: los polímeros con memoria de forma, los polímeros hidrófilos y los materiales de cambio de fase microencapsulados cambian de forma y estructura en respuesta a las fluctuaciones de temperatura. Controlan la cantidad de aire y humedad que pasa a través de los poros del tejido, lo que da lugar al calentamiento o enfriamiento del usuario.
- Materiales termocrómicos: mediante el uso de cristales líquidos, pigmentos y polímeros termocrómicos, estos materiales cambian de color en respuesta a la temperatura, regulando la cantidad de luz absorbida por el tejido.Estos tejidos pueden adquirir un color más claro para reflejar el calor del usuario o cambiar de color para camuflarse en aplicaciones militares.
- Polímeros conductores: polímeros como el polipirrol, la polianilina, el politiofeno y su derivado, el poli(3,4-etilendioxitiofeno), pueden conducir el calor y la electricidad. Ayudan a regular la temperatura, disipando eficazmente el calor corporal. Materiales como los nanocables de plata y el nitruro de boro también pueden regular la temperatura mediante una eficaz disipación del calor del tejido.
En CAS, estamos al tanto de las últimas innovaciones en ciencia de los materiales en la intersección de la química, la física y la ingeniería. A través de la Colección de contenidos CASTM, el mayor repositorio de información científica catalogada por expertos, analizamos constantemente las publicaciones más recientes de revistas y patentes de todo el mundo, lo que nos ofrece una visión única de las últimas innovaciones y de los avances que llegan a la comercialización.
