INTRODUCCIÓN
La ciencia de los materiales ha logrado mejorar las propiedades de los materiales existentes o los ha dotado de nuevas propiedades físicas y químicas. Los nuevos materiales han revolucionado la construcción, la ingeniería, la electrónica, la medicina y toda la industria
En la actualidad, en este preciso momento, se está produciendo un espectacular cambio en la concepción del control de los materiales como consecuencia de la tecnología que permite la manipulación de la materia a nivel atómico, la nanotecnología.
Este cambio, sin lugar a dudas, se estudiará en el futuro como la segunda revolución industrial, y es fundamental para comprender que en estos momentos el ser humano está comenzando a aprender la lógica del funcionamiento de los átomos . Esto está abriendo caminos para la investigación que tienen, y van a tener aún más en el futuro, una trascendencia impredecible, enorme, en la manera de concebir los materiales y, como consecuencia de ello, la evolución de los objetos tecnológicos.
Aplicaciones de los nuevos materiales
Las aplicaciones de los nuevos materiales pasarán por la producción de tejidos artificiales para implantar en el ser humano, la elaboración de sistemas de embalaje y transporte ultraligeros y muy resistentes, la producción de materiales aislantes y nuevos materiales en el campo de la óptica o de la electrónica, que van a sustituir en eficacia, resistencia, flexibilidad, etc., a los materiales actuales en muchos campos.
Se está trabajando también en sistemas de liberación de fármacos y en estructuras ultraligeras y aislantes que se aplicarán en un futuro en aviones, trenes, barcos o automóviles.
El futuro en este campo es inmenso por dos razones fundamentales; en primer lugar por la alta rentabilidad económica que pueden obtener las empresas que logren patentarlos, y porque van a suponer un salto notable en las posibilidades de desarrollo humano y científico.
Los biomateriales:
Los biomateriales son materiales inertes para el organismo, que pueden emplearse en el cuerpo humano, sin rechazo, para sustituir un órgano o un tejido dañado o para cumplir una función.
Se emplean como biomateriales el titanio y sus aleaciones, el platino y sus aleaciones con iridio, las cerámicas biomédicas, materiales bioinertes como la circona, materiales superficialmente activos como la hidroxiapatita, materiales cerámicos reabsorbibles, algunos fosfatos y óxidos para rellenar huesos, polímeros como el polimetil metacrilato, materiales de matriz cerámica y fibras para ortopedia.
Se emplean en implantes de cadera, implantes dentales, marcapasos, puntos de hilo reabsorbibles, válvulas para el corazón, hilos intraoculares.
Los biomateriales no producen sustancias tóxicas ni deben causar reacciones biológicas adversas
Materiales inteligentes, activos o multifuncionales
Los materiales activos, “inteligentes” o multifuncionales son capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades. Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y sistemas multifuncionales. Se presentan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos. Actualmente su importancia radica en las nuevas necesidades en tecnologías como microelectrónica y nanoelectrónica, así como por la posibilidad de desarrollar estructuras, materiales y productos con propiedades activas predefinidas y funciones combinadas.
Entre las ventajas de integrar múltiples funciones en un sistema, destacan las reducciones de tamaño asociadas, el aumento del tamaño de series de producción y la reducción de costes en materiales y procesos. Los materiales activos pueden jugar un papel decisivo en múltiples aplicaciones futuras, ya que en sí mismos relacionan magnitudes eléctricas, térmicas, químicas, ópticas, magnéticas y mecánicas.
Estos materiales cambian de color según la temperatura, dejan pasar electrones a un circuito.... en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad
EL GRAFENO, EL MATERIAL QUE REVOLUCIONARÁ LA TECNOLOGÍA
¿Qué es el
Grafeno?
El grafeno es una estructura plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja. El grafito que tenemos todos en las minas de nuestros lapiceros no es más que muchas capas bidimensionales de grafeno. Por lo tanto todos hemos tenido este material en nuestras manos, y no nos habíamos parado a pensar en ello.
El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre y a Novoselov ambos profesores de la Universidad de Manchester, en el Reino Unido por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno
La historia del descubrimiento del grafeno es tan curiosa como el material mismo. Todo comenzó como un juego en la Universidad de Manchester, donde trabajan estos dos físicos de origen ruso que tienen la costumbre de destinar una pequeña parte de su tiempo de trabajo a experimentos, por diversión. Así surgió la idea de extraer capas del espesor de un átomo del grafito de un lápiz con ayuda de la cinta adhesiva. "Simplemente repetimos la experiencia hasta que en algún momento descubrimos una única capa: el grafeno", relató Geim. Y para sorpresa de los investigadores, no se desintegró, sino que permaneció estable a temperatura ambiente y expuesta al aire. De ahí surgió este material.
El grafeno, podría acabar con el problema para obtener procesadores rápidos, pantallas transparentes, flexibles y enrollables. En teoría, es el sustituto perfecto del silicio: permite crear microprocesadores de un átomo de espesor, 500 veces más pequeños que los de silicio y 10 veces más rápidos, de gran resistencia (el grafeno es carbono en estado puro, el material más resistente del planeta) y flexibles.
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| Microprocesador de grafeno (55% más potente que los de silicio) |
"Es el único material que se puede estirar hasta un 10% de forma reversible. Es decir, a diferencia de los plásticos, recupera su forma inicial", dice Francisco Guinea, profesor investigador del Instituto de Ciencia de los Materiales. Guinea cree que en los dos próximos años llegarán las primeras pantallas comerciales fabricadas de grafeno, aunque habrá que esperar cinco años para verlo en microelectrónica. Algunas marcas han presentado un chip de grafeno un 55% más potente que una versión anterior fabricadas con silicio.
"El problema, tanto en pantallas como en procesadores, es fabricar grafeno a escala industrial y a bajo coste", explica Guinea. Las pantallas táctiles actuales de los teléfonos inteligentes y tabletas se producen con óxido de indio y estaño, material escaso, caro y contaminante, por lo que el grafeno tiene las de ganar. Samsung produjo el año pasado un prototipo de pantalla transparente y flexible a partir de una lámina de grafeno de 63 centímetros de longitud.
El principal obstáculo es la fabricación en cadena pero, de conseguirse, la producción de grafeno promete ser barata y de bajo impacto ecológico. Al ser mejor conductor que el silicio, pierde menos energía, con lo que los circuitos duran más y consumen menos. Es carbono puro y se encuentra en abundancia en cualquier parte, en cualquier país del mundo (se genera como desecho al escribir con un lápiz, por ejemplo). Su uso generalizado en la industria permitiría suprimir otros materiales más caros y contaminantes, como el óxido de titanio o el óxido de estaño indio con el que se fabrican ahora la mayoría de las aplicaciones electrónicas transparentes.
El objetivo es utilizar una técnica muy parecida a la que se emplea para imprimir los periódicos, donde millones de páginas son impresas en muy poco tiempo. En este caso, en lugar de papel se usan rollos de un material plástico flexible y, en lugar de tinta, se deposita una capa de grafeno de bajo coste, que se utilizará en un futuro muy cercano como uno de los principales componentes de teléfonos móviles, televisores, paneles solares....
El Grafeno es un material tan importante ya que cuenta con excelentes propiedades:
Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:
Aplicaciones del grafeno
Las aplicaciones más destacadas de este material son:
Estas son las aplicaciones mas importantes que se prevén realizar con el grafeno, pero al ser un material descubierto tan recientemente, con el tiempo pueden perfeccionarse e incluso aparecer nuevas aplicaciones.
El grafeno salva vidas
La industria de la electrónica busca nuevos materiales no solo por el afán de innovar, también obligados por el daño que hacen al medio ambiente o por la explotación humana que causa la actual extracción minera. Es el caso de los llamados minerales de sangre.
Apple e Intel, han decidido no seguir utilizando los minerales de sangre en la fabricación de sus teléfonos móviles y ordenadores portátiles. A partir de los próximos meses no llevarán oro ni coltán ni tungsteno ni tantalio ni estaño.
Estos minerales provienen principalmente del Congo, donde su extracción se realiza en condiciones infrahumanas, con la explotación de los mineros. Además, financia las guerras tribales de aquella zona. Una razón más para pasarse al grafeno: salvar vidas.
Las pantallas del futuro serán flexibles, eso está claro. Samsung, lider muncial en diversas ramas de la industria electrónica, ya ha anunciado que en dos años comercializará un artilugio parecido al que se presenta en el siguiente vídeo:
El objetivo es utilizar una técnica muy parecida a la que se emplea para imprimir los periódicos, donde millones de páginas son impresas en muy poco tiempo. En este caso, en lugar de papel se usan rollos de un material plástico flexible y, en lugar de tinta, se deposita una capa de grafeno de bajo coste, que se utilizará en un futuro muy cercano como uno de los principales componentes de teléfonos móviles, televisores, paneles solares....
Propiedades del grafeno
Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:
- Alta conductividad térmica y eléctrica. El grafeno conduce la electricidad tan bien como el cobre y 100 veces mejor que el silicio, por ello el grafeno podría ser utilizado en aparatos eléctricos como en microchip, que serian mucho más potentes y rápidos que los actuales.
- Alta elasticidad y dureza.
- Resistencia (100 veces mayor que la del acero). Varios profesores de ingeniería mecánica de la Universidad de Columbia, han probado la fortaleza del grafeno a un nivel atómico midiendo la fuerza que se necesita para romperlo. Después de estas investigaciones han logrado demostrar, en distintas pruebas de laboratorio, que el Grafeno es el material más fuerte que jamás hayamos conocido. A pesar de esta gran dureza, es el material más delgado jamás registrado.
- A pesar de ser un material muy resistente es también muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
- se calienta menos al conducir los electrones.
- Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
- Es casi transparente
- Es un material muy denso, es decir en un centímetro entrarían 140 millones de átomos de carbono. que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen puede atravesarlo.
- Paneles solares: Esta es una de las aplicaciones más destacadas y que ya se están empezando a desarrollar, gracias a que el grafeno es prácticamente transparente. Se podría sustituir el titanio o el silicio en las celdas solares siendo una opción más barata. Estas placas solares, serían flexibles y se pueden lleva a cualquier sitio.
- Chalecos antibalas: los chalecos antibalas actuales son pesados, gruesos y poco flexibles, mientras que con el grafeno, serian flexibles, menos pesados y a la vez muy resistentes
- Cableado: Desde el Instituto Tecnológico de Georgia creen que las nanocintas de grafeno podrían ser 1000 veces más conductivas que el cobre, haciéndolas casi perfectas para interconexiones electrónicas
- Chips: también se podría reemplazar el silicio por grafeno en la fabricación de microprocesadores. Ya existen empresas como IBM que han confeccionado los primeros chips de grafeno con una velocidad de 100 Ghz(10 veces más rápidos que los actuales) Y se está trabajando en un modelo que podría alcanzar hasta los 1000 Ghz. Lo que provocará una fabricación de ordenadores más potentes y rápidos
- Al ser un material muy fuerte, el grafeno puede ser interesante para uso en nanotecnología ya que podría soportar grandes presiones apenas sin deformars
- Otra aplicación bastante novedosa puede ser la de un ordenador o móvil súper delgado que a la vez, se dobla y se pliega y es tan irrompible como el diamante. Un prototipo de estas pantallas, en las que ya está trabajando la empresa Samsung, puede ser el video que se mostrará posteriormente.
- baterías con grafeno: El próximo año podrían comercializarse las primeras baterías con grafeno, que tienen la capacidad de aumentar la velocidad de recarga de las baterías, reduciendo el tiempo necesario hasta una décima parte del habitual. Una batería estándar de iones de litio de un teléfono móvil puede tardar unas dos horas en recargar, pero el grafeno puede ayudar a recargarlas en menos de 10 minutos. Estas baterías, almacenan mas energía, tienen una vida estimada mayor y se calientan menos, por lo que se espera que también sean utilizadas en las cargas de los coches de batería, ya que su inconveniente era la gran espera de carga.
- Ya que el grafeno está formado por una única capa de espesor, los transistores son muy sensibles a cualquier molécula que se deposite en su superficie. Por eso, es un material idóneo para fabricar sensores químicos y biológicos, de ADN etc. implantados cerca de las células del cerebro, por ejemplo, se podría estudiar el comportamiento de las neuronas gracias las variaciones nerviosas y químicas producidas.
Estas son las aplicaciones mas importantes que se prevén realizar con el grafeno, pero al ser un material descubierto tan recientemente, con el tiempo pueden perfeccionarse e incluso aparecer nuevas aplicaciones.
La industria de la electrónica busca nuevos materiales no solo por el afán de innovar, también obligados por el daño que hacen al medio ambiente o por la explotación humana que causa la actual extracción minera. Es el caso de los llamados minerales de sangre.
Apple e Intel, han decidido no seguir utilizando los minerales de sangre en la fabricación de sus teléfonos móviles y ordenadores portátiles. A partir de los próximos meses no llevarán oro ni coltán ni tungsteno ni tantalio ni estaño.
Estos minerales provienen principalmente del Congo, donde su extracción se realiza en condiciones infrahumanas, con la explotación de los mineros. Además, financia las guerras tribales de aquella zona. Una razón más para pasarse al grafeno: salvar vidas.
Crean la primera pantalla táctil de grafeno
El instituto de nanotecnología en el que han desarrollado la primera pantalla táctil de grafeno, en la Universidad Sungkyunkwan de Seúl, ha conseguido llamar la atención de las grandes compañías. El sector está inquieto. Pantallas que se doblan como un papel y que dentro de poco, según James Tour, de la Universidad de Rice (Houston) y uno de los químicos más prestigiosos de la última década, podrán enrollarse "hasta formar un pequeño lápiz que nos pondremos tras la oreja".
Prototipos del grafeno
Samsung y el grafeno
Las pantallas del futuro serán flexibles, eso está claro. Samsung, lider muncial en diversas ramas de la industria electrónica, ya ha anunciado que en dos años comercializará un artilugio parecido al que se presenta en el siguiente vídeo:
