Implantes quirúrgicos con memoria de forma personalizados, baterías de silicio y nanotubos de carbono reciclables son algunas de las novedades en estos materiales
Baterías de ánodo de silicio fabricadas a partir de nanomateriales; nanotubos de carbono reciclables; tejidos y órganos vivos creados en el laboratorio… El impacto de los supermateriales en nuestras vidas ya ha comenzado.
La salud es el área donde la evolución de la ciencia y la ingeniería de materiales tiene mayor impacto.
¿Será posible fabricar nuevos órganos artificiales? ¿Serán posibles implantes que, una vez colocados en nuestro cuerpo, sean absorbidos y a la vez se regeneren con nuestro propio hueso?
¿Será posible personalizar cualquier implante al límite del diámetro de nuestras arterias? ¿Será posible replicar enfermedades en órganos artificiales para probar tratamientos antes de experimentar con seres vivos? ¿Lograremos el sueño de la eterna juventud?
La respuesta es sí. No sólo es posible sino que pronto lo veremos.
La revolución de los implantes y los tejidos artificiales
El equipo del proyecto HUMANeye ha desarrollado y probado un implante corneal con memoria de forma.
Está elaborado con nitinol, una aleación de níquel y titanio que ya se utiliza en stents, alambres dentales, tornillos ortopédicos y otros suministros quirúrgicos.
Resultados de HUMANeye Son una puerta abierta a la solución de las enfermedades corneales, una de las principales causas de ceguera en todo el mundo.
Pero las puertas que se abren con materiales con memoria de forma van mucho más allá. Se espera que el mercado de aleaciones con memoria de forma crezca a una tasa compuesta anual del 11,2% de 2022 a 2029.
Un ejemplo innovador de este avance tecnológico se presentó en la conferencia Hannover Messe: el primer refrigerador del mundo que se enfría mediante músculos artificiales hechos de nitinol.
Ya se están fabricando en laboratorio implantes de Nitinol con una forma personalizada según el paciente gracias a la impresión 3D. Estos implantes se autoexpanden una vez instalados y evitan tratamientos posteriores, a menudo agresivos, después de la primera cirugía.
La impresión 4D de materiales con memoria permite que la pieza fabricada evolucione con el tiempo tanto en forma como en composición. Este proceso revolucionario promete nuevas oportunidades en regeneración de tejidos y cirugías reconstructivas.
La bioimpresión combina células y biomateriales para crear tejidos y órganos vivos que pueden usarse para reemplazar estructuras dañadas o envejecidas, así como para reemplazar modelos animales en ensayos farmacológicos o en la generación de modelos de enfermedades.
La creación de tejidos artificiales (como tendones bioinspirados) ya es una realidad.
Baterías con más memoria procedentes de nanomateriales
Finalmente, los nanomateriales llegarán a la industria con el desarrollo de nuevas baterías y nuevos materiales compuestos.
De Se pueden fabricar nanofibras de silicio y ánodos para baterías de iones de litio. con mucha más capacidad de almacenamiento que los ánodos de grafito que se utilizan actualmente (que también es un material crítico) y requiere muchos más ciclos de recarga.
Estos ánodos se construyen a partir de un producto que es como una hoja de papel y que ya es una realidad que se está fabricando en una planta piloto en la iniciativa Floatech del Instituto IMDEA de Materiales.
Pero las innovaciones en baterías de Li-Ion van más allá de los materiales que componen el ánodo y el cátodo.
El uso de nanopartículas permite evitar (o reducir) el riesgo de explosión tanto de los electrolitos como de las carcasas.
Nanotubos de carbono reciclables
También se avanza en uno de los problemas considerados “endémicos” de los nanotubos de carbono: su reciclaje.
Un trabajo publicado recientemente en la prestigiosa revista Carbon avanza la posibilidad de reciclarlos siguiendo el mismo esquema que una construcción LEGOⓇ.
Nanotubos reciclados podrían volver a su estado inicial, como bloques de construcción.
Podrían disolverse y convertirse en soluciones cristalinas líquidas, que luego podrían volver a hilarse para obtener una fibra nueva de alta calidad.
Estos avances, así como el desarrollo de “más” polímeros reciclables, abren el futuro a nuevos materiales compuestos. que contribuirá, entre otras cosas, a impulsar un sector aeronáutico más sostenible.
Los nanomateriales también ayudarán a desarrollar sensores que nos permitan monitorear cualquier daño estructural que pueda ocurrir durante el vuelo.
Con todo ello, tendremos aviones más sostenibles y mucho más seguros.
Materiales dúctiles, resistentes y multifuncionales al mismo tiempo
La aparición en 2004 de las aleaciones de alta entropía. Abrió muchos caminos de desarrollo, poniendo toda la tabla periódica en manos de quienes diseñamos aleaciones.
Hoy estamos muy cerca de utilizar estas aleaciones para producir mejoras en ámbitos tan diversos como la alta temperatura necesaria en un motor de aviación y desarrollar propiedades magnéticas y/o eléctricas especiales, fundamentales en el desarrollo de nuevas formas de generar energía.
Aleaciones de alta entropía nos permitirán desarrollar materiales que hasta hace poco eran impensables.
Nos acercamos al sueño de lo que no hace mucho era una contradicción: materiales resistentes y dúctiles al mismo tiempo.
Más allá de la sustancia misma: metamateriales
Cuando ya no podemos ir más allá modificando la composición química de un material, podemos intentar darle a sus componentes básicos disposiciones que le otorguen propiedades excepcionales.
Y así surgen los metamateriales.
Podemos modificar la superficie de un material creando estructuras que obliguen a las ondas a moverse, desviarse, reflejarse…
Así podemos conseguir materiales invisibles (si es luz lo que manipulamos), o indetectables por radar, o que aíslen completamente el ruido.
Al manipular la arquitectura interna del material, podemos obtener propiedades mecánicas impredecibles. Son materiales auténticos que rozan la magia.
La IA acelera todo
Todo desarrollo de materiales en este momento se sustenta en tres pilares básicos: las nuevas técnicas de fabricación (con especial relevancia la impresión 3D), la aparición de la inteligencia artificial (IA), y que todo desarrollo tiene que estar alineado con la sostenibilidad y el uso eficiente de las materias primas. materiales.
El número de estudios que aplican la IA a la ciencia de materiales ha crecido a un ritmo de 1,67 veces por año durante la última década. Pero la sostenibilidad significa que las cosas no son tan sencillas ahora.
Para cualquier desarrollo debemos considerar qué metales tenemos disponibles en el planeta.
Además, debemos considerar muchos más criterios de diseño que antes no se consideraban.
Por ejemplo, si pensábamos en la resistencia, era a costa de la ductilidad, y no se pensaba que un mismo material pudiera tener múltiples funciones.
Con todo ello, en este siglo XXI el número de combinaciones de variables es inmenso. Y ahí es donde entra la IA para hacer que todo, o casi todo, sea posible.
La ciencia de los materiales se está expandiendo como la espuma y su impacto ya nos está transformando. Año nuevo, nuevos desafíos.
* José Manuel Torralba es profesor de la Universidad Carlos III de Madrid. Este artículo apareció en The Conversation. Puedes leer la versión original. aquí.
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