Las innovaciones en ciencia de materiales desempeñan un papel fundamental a la hora de hacer que los productos de los que dependemos sean más resistentes, seguros y sostenibles. Como se señala en nuestro artículo sobre las tendencias emergentes a seguir en 2025, los avances en ciencia de materiales impulsan mejoras en bienes de consumo, edificación, construcción, energía y otros sectores. Algunos de estos avances alcanzan ámbitos que recientemente se consideraban ciencia ficción; sin embargo, estos logros científicos se están convirtiendo en realidad, mejorando los espacios donde vivimos y trabajamos, así como los productos que utilizamos.
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Vea la grabación de nuestro seminario web del 24 de abril, donde el Dr. Harold Boone, de Dow, junto con Leighton Jones y Janet Sasso, de CAS, analizaron estas tendencias en el contexto más amplio del progreso científico.
Metamateriales para mejorar las comunicaciones inalámbricas y otros ámbitos
Los avances en diseño y simulación computacional, impresión 3D, litografía y grabado están permitiendo la fabricación de diferentes metamateriales —materiales diseñados artificialmente con propiedades que no se encuentran en la naturaleza— para una amplia gama de aplicaciones. La disposición 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 están dando lugar a nuevos usos.
Los metales, dieléctricos, semiconductores, polímeros, cerámicas, nanomateriales, biomateriales y 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, una permitividad eléctrica y magnética a medida, y la capacidad de manipular ondas acústicas y sísmicas.
Con 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 (mmWaves) utilizadas en el 5G tienen un alcance limitado y son bloqueadas fácilmente por las estructuras. Los metamateriales integrados en las antenas pueden mejorar la recepción al aumentar la eficiencia y el ancho de banda de las mismas. Las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) pueden reflejar y refractar las señales 5G para mejorar la recepción dentro de los edificios. Mejorar la recepción 5G con metamateriales reduce el coste de construcción de más torres de telefonía y hace que la recepción de señales rápidas sea más accesible para todos.
Otras aplicaciones nuevas y notables de los metamateriales incluyen:
- Protección contra terremotos: Los metamateriales pueden atenuar la intensidad de las ondas sísmicas y resistir su propagación a través de las estructuras, protegiéndolas así de posibles daños. El acero y los metamateriales de gradiente doble, como el polímero reforzado con fibra de carbono, se han utilizado eficazmente para esta aplicación. Incluir estos metamateriales en la construcción podría suponer importantes mejoras de seguridad en zonas sísmicas.
- Imagen médica: 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 de la absorción de radiación electromagnética no deseada. Las metasuperficies fabricadas con hilos de latón no magnéticos han demostrado mejorar la sensibilidad del escáner, la relación señal-ruido y la resolución de las imágenes de resonancia magnética.
- Capas de invisibilidad: Al controlar con precisión las propiedades electromagnéticas de diversos metamateriales, las ondas luminosas pueden redirigirse alrededor de un objeto, creando la impresión de que no está allí. Por ejemplo, el uso de una metasuperficie altamente transparente con cristales fotónicos dieléctricos con dispersiones de cono de Dirac puede hacer realidad la aparentemente imposible capa de invisibilidad.
- 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 descubrió que un metamaterial basado en difluoruro de polivinilideno (PVDF) es capaz de convertir energía mecánica en energía eléctrica, lo que además tiene la ventaja añadida de aislar las vibraciones.
Múltiples materiales para mejorar la descarbonización de los edificios
A medida que el mundo se calienta, se necesita más aire acondicionado para mantener el confort en los entornos interiores. Al mismo tiempo, el mayor uso de fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, requiere un almacenamiento de energía que maximice el suministro durante las horas de máxima demanda que no coinciden con las 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 la calefacción y refrigeración de edificios, así como 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.
Ejemplos de medios de almacenamiento de calor incluyen agua, ladrillos u hormigón, cerámicas, grafito, óxidos metálicos o sales fundidas, todos los cuales poseen una alta capacidad calorífica para el almacenamiento. Estos sistemas también pueden utilizar materiales de cambio de fase que almacenan 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 emplear materiales que almacenan calor mediante reacciones químicas reversibles, como la pérdida de agua. Entre los materiales termoquímicos innovadores para estos procesos se incluyen zeolitas, hidruros metálicos e hidróxidos.
También observamos 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 consumiendo muy poca electricidad durante los periodos de precios máximos, lo que permite mantener el confort en los edificios al tiempo que se reducen los costes energéticos. Los materiales de cambio de fase también alimentan actualmente sistemas de almacenamiento de energía térmica para calentadores de agua e incluso procesos industriales que requieren altas temperaturas. Esto puede ayudar a descarbonizar las industrias pesadas que han tenido dificultades para reducir sus emisiones.
Más allá del aislamiento: los aerogeles encuentran nuevas aplicaciones
Los aerogeles, a veces denominados "humo helado," son materiales ligeros de alta porosidad descubiertos en 1931. Los nuevos descubrimientos están haciendo que estos materiales sean más duraderos y, por tanto, adecuados para más aplicaciones. Los aerogeles se sintetizan a partir de un gel en el que el componente líquido se sustituye por un gas, manteniendo la integridad del gel. Esto se consigue mediante novedosos métodos de secado que ahora pueden formar una microestructura dendrítica robusta y ultraligera con poros inferiores a 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 basados en sílice y son más adecuados para aplicaciones de almacenamiento y conversión de energía. Los aerogeles de polímeros de base biológica 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 metal-orgánicas (MOF) presentan una conductividad eléctrica, una robustez mecánica y una capacitancia específica excepcionales que superan a los supercondensadores convencionales.
Las aplicaciones emergentes de los aerogeles más allá del aislamiento incluyen:
- Ingeniería biomédica, donde los aerogeles se están utilizando para la administración de fármacos, agentes cicatrizantes, antioxidantes, andamios tisulares y más.
- Almacenamiento de energía, donde las aplicaciones incluyen una variedad de usos, como baterías recargables, supercondensadores y pilas de combustible.
- Remediación ambiental, donde la alta porosidad, ligereza y respeto al medio ambiente 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. Incluso es posible encontrar aerogeles en su protector solar, ya que la industria cosmética utiliza cada vez más estos materiales como agentes de protección UV. Los aerogeles compuestos de TiO2-sílice tienen propiedades fotoprotectoras, y su adición a las fórmulas de protección solar aumenta el factor FPS más allá de lo que pueden alcanzar las fórmulas convencionales hoy en día. También son resistentes al agua, tienen un efecto mate sobre la piel y no dejan rastro blanco tras su aplicación.
Materiales inteligentes en aplicaciones de construcción para reducir 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 mundiales, y es el segundo material más utilizado en el mundo después del agua. Mediante el uso de materiales innovadores que pueden durar más y requieren menos energía o calor para su producción, el sector de la construcción puede mejorar su tasa de descarbonización. Además, los materiales que pueden ser más eficientes en la calefacción o refrigeración de una estructura existente serán importantes para reducir las emisiones del sector de la edificación en su conjunto.
El hormigón autorreparable y las ventanas electrocrómicas, dos ejemplos importantes de materiales de construcción inteligentes, están pasando de la teoría a la práctica y están listos para ayudar a controlar las emisiones de sectores difíciles de descarbonizar, como la construcción. El hormigón es naturalmente propenso a las grietas, y repararlo o sustituirlo por más hormigón es una actividad intensiva en emisiones. Las innovaciones en agentes curativos 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 sanar las grietas. Los avances basados en silicio también están impulsando innovaciones en hormigón hidrofóbico.
Más allá del proceso de construcción, las nuevas aplicaciones de la ciencia de materiales también están ayudando a mejorar la huella de carbono durante la vida útil de los edificios. La tecnología de ventanas inteligentes que utiliza películas electrocrómicas puede reducir el consumo de energía en los edificios al bloquear la luz. El trióxido de tungsteno y el óxido de níquel son algunos de los materiales electrocrómicos utilizados en ventanas electrocrómicas. La aplicación de un campo eléctrico a la película de cristales líquidos dispersos en polímero (PDLC) cambia la disposición de sus moléculas de forma ordenada para crear transparencia, bloqueando o transmitiendo la luz, lo que da lugar a 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 procesamiento e ingeniería están demostrando que estos materiales pueden ser una alternativa sostenible a los polímeros puros con aplicaciones en múltiples industrias. A medida que crece la demanda de materiales más sostenibles, se prevé que el mercado de productos de bambú crezca 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, vuelve a crecer continuamente y secuestra 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 termoestables y termoplásticos demuestran que tienen propiedades mecánicas similares o mejores, como la resistencia a la tracción, el módulo y el alargamiento, que los polímeros originales. En concreto, los nuevos compuestos fabricados con fibras de bambú y polímeros termoestables, como el fenol-formaldehído y el epoxi, demuestran las mejores propiedades mecánicas. La plastinación, que implica la deshidratación y la infusión de polímeros como la silicona y el poliéster, también hace que el bambú sea más duradero.
Estudios recientes también demuestran que cuando el biopolímero ácido poliláctico se combina con polvo de fibra de bambú y aerogel de sílice, el compuesto resultante presenta mejores propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción y el módulo de Young, así como un mejor efecto de barrera contra el vapor de agua y el oxígeno, en comparación con el ácido poliláctico. Estas propiedades mecánicas mejoradas tienen aplicaciones potenciales en envases sostenibles.
La brecha entre la oferta y la demanda es un desafío constante para la adopción generalizada del bambú. Sin embargo, los recientes avances en biotecnología, como la propagación in vitro y el cultivo de tejidos, están haciendo que la producción de bambú sea más eficaz y fiable, evitando al mismo tiempo la sobreexplotación de los recursos. Con la expansión del mercado de productos de bambú hacia el mobiliario, los envases, los productos de cuidado personal y la ropa, este material será cada vez más importante 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 atletas que hacen ejercicio a altas temperaturas o para 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 están respaldando estas capacidades gracias a polímeros, aerogeles y compuestos inteligentes.
Los tejidos adaptables actuales utilizan aislamiento térmico, gestión de la humedad, tamaños de poro dinámicos, termocromismo y recolección de calor radiante para hacer que la ropa responda mejor a las diferentes condiciones ambientales. Los últimos avances 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 vidrio-grafeno y las nanofibras de poliacrilonitrilo han demostrado ser eficaces. Los tejidos ópticos son estéticamente agradables y pueden utilizarse para terapia de luz y detección de signos vitales.
- Materiales termoresponsivos: Los polímeros con memoria de forma, los polímeros hidrofílicos y los materiales de cambio de fase microencapsulados cambian su 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 resulta en el calentamiento o enfriamiento del usuario.
- Materiales termocrómicos: Utilizando 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 volverse de un color más claro para reflejar el calor del usuario o cambiar de color para el camuflaje militar.
- Polímeros conductores: Polímeros como el polipirrol, la polianilina, el politiofeno y su derivado, el poli(3,4-etilendioxitiofeno), pueden conducir calor y 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 disipación eficaz del calor del tejido.
En CAS, mantenemos el pulso de las nuevas innovaciones en ciencia de materiales en la intersección de la química, la física y la ingeniería. A través de la CAS Content CollectionTM, el mayor repositorio de información científica curado por expertos, analizamos constantemente las publicaciones de revistas y patentes más recientes de todo el mundo. Esto nos proporciona una visión única de las últimas innovaciones y de qué avances están llegando a la comercialización.
