3 Grandes Avances de la Ciencia de los Materiales, y por qué Importan para el Futuro

Pocos reconocen las vastas implicaciones de la ciencia de los materiales.

Para construir el teléfono inteligente actual en la década de 1980, costaría alrededor de 1 110 millones, requeriría casi 200 kilovatios de energía (en comparación con los 2 kW por año de hoy) y el dispositivo tendría 14 metros de altura, según el Director de Tecnología de Materiales Aplicados Omkaram Nalamasu.

Ese es el poder de los avances de materiales. La ciencia de los materiales ha democratizado los teléfonos inteligentes, llevando la tecnología a los bolsillos de más de 3,5 mil millones de personas. Pero mucho más allá de los dispositivos y circuitos, la ciencia de los materiales se encuentra en el centro de innumerables avances en energía, ciudades futuras, tránsito y medicina. Y a la vanguardia de la Covid-19, los científicos de materiales están avanzando con biomateriales, nanotecnología y otros materiales de investigación para acelerar una solución.

Como su nombre indica, la ciencia de los materiales es la rama dedicada al descubrimiento y desarrollo de nuevos materiales. Es una consecuencia de la física y la química, utilizando la tabla periódica como su tienda de comestibles y las leyes de la física como su libro de cocina.

Y hoy, estamos en medio de una revolución en la ciencia de los materiales. En este artículo, desentrañaremos los avances de materiales más importantes que están ocurriendo ahora.

Vamos a sumergirnos.

The Materials Genome Initiative

En junio de 2011, en la Universidad Carnegie Mellon, el Presidente Obama anunció la Materials Genome Initiative, un esfuerzo nacional para utilizar métodos de código abierto e IA para duplicar el ritmo de innovación en ciencia de materiales. Obama consideró que esta aceleración era crítica para la competitividad global de los Estados Unidos, y tenía la clave para resolver desafíos significativos en energía limpia, seguridad nacional y bienestar humano. Y funcionó.

Mediante el uso de IA para mapear los cientos de millones de diferentes combinaciones posibles de elementos: hidrógeno, boro, litio, carbono, etc.- la iniciativa creó una enorme base de datos que permite a los científicos tocar una especie de improvisación con la tabla periódica.

Este nuevo mapa del mundo físico permite a los científicos combinar elementos más rápido que nunca y les ayuda a crear todo tipo de elementos novedosos. Y una serie de nuevas herramientas de fabricación amplifican aún más este proceso, permitiéndonos trabajar a escalas y tamaños completamente nuevos, incluida la escala atómica, donde ahora construimos materiales de un átomo a la vez.

Los mayores avances de la ciencia de los materiales

Estas herramientas han ayudado a crear los metamateriales utilizados en compuestos de fibra de carbono para vehículos más ligeros, aleaciones avanzadas para motores a reacción más duraderos y biomateriales para reemplazar las articulaciones humanas. También estamos viendo avances en el almacenamiento de energía y la computación cuántica. En robótica, los nuevos materiales nos están ayudando a crear los músculos artificiales necesarios para los robots humanoides y blandos: piense en Westworld en su mundo.

Vamos a desentrañar algunos de los principales avances de la ciencia de los materiales de la última década.

(1) Baterías de iones de litio

La batería de iones de litio, que hoy en día alimenta todo, desde nuestros teléfonos inteligentes hasta nuestros automóviles autónomos, se propuso por primera vez en la década de 1970. No pudo llegar al mercado hasta la década de 1990, y no comenzó a alcanzar la madurez hasta los últimos años.

Una tecnología exponencial, estas baterías han estado cayendo en precio durante tres décadas, cayendo en picado un 90 por ciento entre 1990 y 2010, y un 80 por ciento desde entonces. Al mismo tiempo, han visto un aumento de capacidad de once veces.

Pero producir suficientes para satisfacer la demanda ha sido un problema constante. Tesla se ha puesto a la altura del desafío: una de las gigafactorías de la compañía en Nevada produce 20 gigavatios de almacenamiento de energía al año, lo que marca la primera vez que vemos baterías de iones de litio producidas a escala.

Musk predice que 100 Gigafábricas podrían almacenar las necesidades de energía de todo el mundo. Otras empresas también se están moviendo rápidamente para integrar esta tecnología: Renault está construyendo un almacenamiento de energía para el hogar basado en sus baterías Zoe, los paquetes de baterías 500 i3 de BMW se están integrando en la red nacional de energía del Reino Unido, y Toyota, Nissan y Audi han anunciado proyectos piloto.

Las baterías de iones de litio seguirán desempeñando un papel importante en el almacenamiento de energía renovable, ayudando a reducir los precios de la energía solar y eólica para competir con los del carbón y la gasolina.

(2) Grafeno

Derivado del mismo grafito que se encuentra en los lápices de uso diario, el grafeno es una lámina de carbono de un solo átomo de grosor. Es casi ingrávido, pero 200 veces más resistente que el acero. Este súper material, que conduce electricidad y disipa calor más rápido que cualquier otra sustancia conocida, tiene aplicaciones transformadoras.

El grafeno permite sensores, transistores de alto rendimiento e incluso gel que ayuda a las neuronas a comunicarse en la médula espinal. Muchas pantallas de dispositivos flexibles, sistemas de administración de medicamentos, impresoras 3D, paneles solares y telas protectoras usan grafeno.

A medida que disminuyen los costos de fabricación, este material tiene el poder de acelerar los avances de todo tipo.

(3) Perovskita

En este momento, la «eficiencia de conversión» del panel solar promedio, una medida de la cantidad de luz solar capturada que se puede convertir en electricidad, ronda el 16 por ciento, a un costo de aproximadamente 3 3 por vatio.

La perovskita, un cristal sensible a la luz y uno de nuestros nuevos materiales, tiene el potencial de obtener hasta un 66 por ciento, lo que duplicaría lo que pueden reunir los paneles de silicio.

Los ingredientes de perovskita están ampliamente disponibles y son baratos de combinar. ¿A qué se suman todos estos factores? Energía solar asequible para todos.

Materials of the Nano-World

La nanotecnología es el borde exterior de la ciencia de los materiales, el punto donde la manipulación de la materia se vuelve nano-pequeña, es decir, un millón de veces más pequeña que una hormiga, 8.000 veces más pequeña que un glóbulo rojo y 2,5 veces más pequeña que una cadena de ADN.

Los nanobots son máquinas que se pueden dirigir para producir más de sí mismos, o más de lo que quieras. Y debido a que esto ocurre a escala atómica, estos nanobots pueden separar cualquier tipo de material—suelo, agua, aire—átomo por átomo, y usar estas materias primas para construir casi cualquier cosa.

El progreso ha sido sorprendentemente rápido en el nano-mundo, con un grupo de nano-productos ahora en el mercado. ¿No quieres volver a doblar la ropa? Los aditivos a nanoescala de los tejidos los ayudan a resistir las arrugas y las manchas. No haga windows? ¡No hay problema! Las nano películas hacen que las ventanas sean autolimpiables, antirreflectantes y capaces de conducir electricidad. ¿Quieres añadir energía solar a tu casa? Tenemos nano-recubrimientos que capturan la energía del sol.

Los nanomateriales hacen automóviles más ligeros, aviones, bates de béisbol, cascos, bicicletas, equipaje, herramientas eléctricas, la lista continúa. Investigadores de Harvard construyeron una impresora 3D a nanoescala capaz de producir baterías miniatura de menos de un milímetro de ancho. Y si no te gustan esas gafas de realidad virtual voluminosas, los investigadores ahora están utilizando la nanotecnología para crear lentes de contacto inteligentes con una resolución seis veces mayor que la de los teléfonos inteligentes de hoy en día.

Y aún más está por llegar. En este momento, en medicina, los nanobots de administración de fármacos están demostrando ser especialmente útiles en la lucha contra el cáncer. La informática es una historia extraña, ya que un bioingenieroen Harvard almacenó recientemente 700 terabytes de datos en un solo gramo de ADN.

En el frente ambiental, los científicos pueden tomar dióxido de carbono de la atmósfera y convertirlo en nanofibras de carbono súper fuertes para su uso en la fabricación. Si podemos hacer esto a escala, con energía solar, un sistema de una décima parte del tamaño del desierto del Sahara podría reducir el CO2 en la atmósfera a niveles preindustriales en aproximadamente una década.

Las aplicaciones son infinitas. Y viene rápido. Durante la próxima década, el impacto de lo muy, muy pequeño está a punto de hacerse muy, muy grande.

Pensamientos finales

Con la ayuda de la inteligencia artificial y la computación cuántica durante la próxima década, el descubrimiento de nuevos materiales se acelerará exponencialmente.

Y con estos nuevos descubrimientos, los materiales personalizados se volverán comunes. Los futuros implantes de rodilla se personalizarán para satisfacer las necesidades exactas de cada cuerpo, tanto en términos de estructura como de composición.

Aunque invisibles a simple vista, los materiales a nanoescala se integrarán en nuestra vida cotidiana, mejorando sin problemas la medicina, la energía, los teléfonos inteligentes y más.

En última instancia, el camino hacia la desmonetización y democratización de las tecnologías avanzadas comienza con el rediseño de los materiales, el facilitador y catalizador invisible. Nuestro futuro depende de los materiales que creamos.

(Nota: Este artículo es un extracto de The Future Is Faster Than You Think—mi nuevo libro, recién publicado el 28 de enero! Para obtener su propia copia, haga clic aquí!)

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Este artículo apareció originalmente en diamandis.com. Lea el artículo original aquí.

Crédito de la imagen: Anand Kumar de

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