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Materiales Inteligentes

Material inteligente
Materiales Inteligentes
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El concepto de”Smart” es cada vez más popular gracias a tecnologías como Smart Cities y Smart Contracts. Además en el caso de Smart Materials va a tomar mayor relevancia por su capacidad de cambiar muchas de las industrias que existen actualmente , esto le ayudará a hacerlos más eficientes, seguras y económicas. El objetivo de este artículo es averiguar cómo se desarrolla la ciencia de los materiales para la mejora de los modelos de los usos que se les dan actualmente , para que pueden ofrecer un mejor servicio, principalmente a través de la robótica que es donde va a presentar una mayor utilidad en el futuro.

materiales inteligentes son aquellos que muestran el efecto observado en uno de sus aspectos cuando se estimulan entre sí. De esta forma quedan cubiertas todas las facetas, incluida la mecánica, eléctrica, química, óptica, térmica, etc. Algunos ejm. de materiales inteligentes que   pueden añadir nuevas capacidades a la robótica y a los organismos de materiales artificiales termocromáticos que muestran un cambio de color con el calor y polímeros electroactivos que generan la prestación mecánica cuando reciben una estimulación eléctrica. Los materiales inteligentes pueden ser duros, como piezomateriales; flexibles, como las aleaciones con memoria de forma; suaves, como por ejm. los elastómeros dieléctricos; y liquidos , como ferrofluidos y fluidos electrorreológicos. Por lo tanto si necesitamos un robot que sea capaz de detectar sustancias químicas, entonces podemos construirlo con el material inteligente que le permite el cambio de las propiedades eléctricas cuando está expuesto a un determinado producto químico en cuestión y si se necesita un dispositivo robótico que se pueda implantar en una persona, que además se degrade hasta desaparecer cuando han cumplido su función, podemos crear con polímeros biodegradables, biocompatibles y selectiva de la disolución.

Para determinar el grado de utilidad y eficacia que pueden brindarnos estos nuevos materiales inteligentes , se puede hacer un calculo de su coeficiente de inteligencia, la evaluación de su capacidad de respuesta, la flexibilidad y la complejidad, así que si combinamos varios materiales inteligentes dentro de un mismo robot podemos aumentar su coeficiente de inteligencia potencialmente . Además las tecnologías robóticas de vanguardia se puede dividir en tres grupos dependiendo de la programación que ofrecen los materiales y sistemas inteligentes de suaves hidráulicos y neumáticos; materiales inteligentes de sensores y actuadores; y materiales que cambian de rigidez. Por lo tanto, a través del uso de materiales inteligentes la robótica blanda está cobrando protagonismo gracias al renacer de los sistemas de impulso de líquido, en combinación con una mayor comprensión de simulación de materiales elastoméricos.

Como se clasifican los materiales

Los científicos que se dedican a estudiar y desarrollar los nuevos materiales inteligentes , han realizado una clasificación de lo que se denominan los materiales inteligentes por su capacidad de reacción frente a determinados estímulos, tal cual estuvieran programados para realizar funciones específicas. Gracias a esta capacidad de algunos materiales se amplifican las posibilidades de uso, en ámbitos de la industria tecnológica como puede ser la robótica, internet , la producción de energías renovables y muchos otros . Veamos a continuación cuáles son estos materiales y sus principales características.

Fotoluminescentes

Se denomina luminiscencia a todo proceso de emisión de luz cuyo origen no se debe exclusivamente a las altas temperaturas sino que se trata de una forma de “luz fría” en la que la emisión de radiación lumínica se provoca en condiciones de temperatura ambiente o baja. Depende de la energía que la origina es posible hablar de distintas clases de luminiscencia: fotoluminiscencia, , termoluminiscencia, quimioluminiscencia,fluorescencia, fosforescencia, triboluminiscencia, electroluminiscencia y radioluminiscencia. En función de la radiación que estimula la emisión de luz, tendremos los siguientes procesos luminiscentes:

Fotoluminiscencia

La fotoluminiscencia es una luminiscencia en la que la energía activadora es de origen electromagnético (rayos ultravioleta, rayos X o rayos catódicos).

Catodoluminiscencia

si el origen es un bombardeo con electrones acelerados.

Radioluminiscencia

si el origen es una irradiación con rayos α, β o γ.

Piezoeléctricos

Los Piezoeléctricos son aquellos que cuando son sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en la superficie. Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Cromoactivos

son los materiales en los que se produce cambios de color como consecuencia de algún fenómeno externo como pueda ser la corriente eléctrica, la radiación ultravioleta, los rayos X, la temperatura o la presión. Se pueden clasificar en:

Termocrómicos que cambian reversiblemente de color con la temperatura, este cambio de color ocurre dentro de un rango de temperaturas y como regla general son compuestos semiconductores.
Electrocrómicos tienen la propiedad de cambiar el espectro de absorción y, generalmente, también cambian de color, cambia el estado de oxidación de la aplicación de una diferencia de potencial externa.
Fotocrómicos cambian reversible mente de color con cambios en la intensidad de la luz. Este tipo de materiales no se ve en las zonas oscuras. Cuando la luz solar o a la radiación UV se aplica a la estructura molecular del material cambia y aparece el color, que desaparece cuando deja de origen.
Electroreológicos y Magnetoreológicos: es el material que responden a la aplicación de un campo magnético con un cambio en su comportamiento reológico y están compuestos de partículas magnetizables finamente divididos y en suspensión en un líquido portador, como el aceite mineral, el petróleo, o sólido portador con la elasticidad suficiente para la orientación de los dipolos ante el campo magnético externo.
Materiales con memoria de forma: son aquellas que tienen la capacidad de memorizar su forma y tienen la oportunidad de volver a la forma después de haber sido deformados. Este efecto de memoria se puede producir por cambio térmico o magnético y además son capaces de repetir este procedimiento a la innumerable cantidad de veces sin deterioro de la calidad. Estos materiales pueden ser de aleaciones, cerámicas, polímeros y aleaciones ferromagnéticas.

Uso Inteligente de materiales

Estos materiales que acabamos de conocer están ofreciendo infinidad de aplicaciones para aumentar la capacidad de todos los tipos de tecnología, aquí vamos a describir algunos de ellos.

Batería

En este sentido se siguen produciendo muchos de los nuevos logros como los realizados científico español  Gonzalo Murillo, que está desarrollando un nuevo tipo de batería que convierte la energía mecánica en electricidad gracias a los materiales piezoeléctricos que convierten las vibraciones de tensión. Para esto se utilizan los dispositivos diseñados para la alimentación de pequeños sensores colocados en los vehículos de transporte o en los objetos conectados a internet, que son capaces de generar unos pocos milivatios, al comprimir el material piezoeléctrico, generando una separación de carga que a su vez genera electricidad. Para conseguir este grado de compresión se diseña la estructura de la trampa que resuena con cierta frecuencia. Gracias a esta tecnología se pueden utilizar diferentes tipos de dispositivos wearables así como los audífonos.

Impresión 3D

no cabe ninguna duda de que la impresión 3D sirve como dinamizador de todo lo relacionado con el desarrollo de nuevos materiales, especialmente por lo que es inventado una nueva forma de fabricación y haber hecho accesible los procesos de fabricación a muchas personas, lo que conduce a que cada vez sea mayor  el interés para crear nuevos materiales con propiedades específicas. Para responder a esta necesidad los ingenieros del MIT  han desarrollado un sistema que usa los polímeros derivados del petróleo que normalmente se usan como material para la impresión 3D de tipo de celulosa de origen vegetal que tiene muchas ventajas en comparación con el sistema tradicional. Es una alternativa renovable, biodegradable, que proporciona un material menos costoso , más duradero y además tiene propiedades antimicrobianas. Para ello se utiliza el acetato de celulosa,  que permite su uso en impresoras de inyección y que al evaporarse  se endurece rápidamente. De este modo se obtiene la impresión de objetos cuya dureza es muy superior a la alcanzada con la mayoría de los materiales utilizados habitualmente en la impresión en 3D, incluyendo el ABS y PLA.

Pantallas

Empresas como Apple y Samsung han logrado grandes avances gracias a los smartphones, ha propiciado  el desarrollo de las pantallas, que cada vez tienen un mayor tamaño y tiene importantes mejoras en el nivel de resolución y la interacción para el usuario . Además de esto se hace muy importante el aspecto de la resistencia que es en lo que trabajan los científicos de la Universidad de california, en riverside, encabezada por wang chao, que han desarrollado una nuna pantalla capaz de repararse solo que puede reparar específicamente  pantallas de teléfonos inteligentes. Para ello utilizan varios polímeros que son capaces de cerrar las grietas que se forman en la pantalla después de un golpe, sin necesidad de intervención humana. Este material tiene propiedades excelentes, lo que le permite estirarse hasta mas de cincuenta veces su tamaño , basándose en un sistema muy similar al de la piel humana en cuanto a su forma de reparación, porque cuando nos hacemos una herida abierta, los extremos se estiran hasta cerrarse por completo. Este es el primer material conductor de la electricidad que tiene la capacidad de repararse por sí mismo,  especialmente se recomienda para las pantallas táctiles de los dispositivos.

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Superficie

la competencia en el campo espacial se encuentra en su punto máximo después de la entrada de un número de empresas privadas numeroso y espacializadas en la ejecución de actividades relacionadas con el espacio y el renacimiento de los programas espaciales por parte de la nasa y otras agencias de espacio a nivel de gobierno. Para resolver este auge del interés de la humanidad por conquistar el espacio se hace necesario avanzar también en el desarrollo de nuevos materiales como por ejemplo para fabricar los vehículos, así como para otro tipo de objetos, como pueden ser los trajes espaciales para los astronautas. Un ejemplo de ello es el nuevo material desarrollado por el grupo de la NASA , de verificación, con la ayuda de la impresión 3D y puede ser utilizado para diferentes propósitos. Es un nuevo tipo de tejido que tiene la siguiente representación: la parte superior refleja la luz y mantiene el calor por sí mismo, y en el interior tiene el efecto de aislamiento, protegiendo adecuadamente lo que hay dentro, ya sea un objeto, el local o el cuerpo de la persona. Para su desarrollo han utilizado un proceso que ha sido nombrado como la impresión 4D, ya que además de construir piezas tridimensionales, también se fabrican en función  al material. Además el proceso de producción de este nuevo material está diseñado para aprovechar los recursos naturales que se pueden encontrar en el planeta en el que se va a utilizar y por tanto realizar la fabricación in situ, además de permitir su re utilización para la producción de otros productos a base de este material.

Potencia

para la generación de energías limpias sigue siendo insuficiente para solucionar el  problema en el que nos encontramos con la contaminación ambiental y el calentamiento global, podemos considerar que la situación está mejorando paulatinamente gracias a muchos de los avances que se producen en el ámbito de la investigación científica para la generación de energías renovables, principalmente para la obtención de la energía del Sol. En el caso de la labor de investigadores del Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Orgánicos de la Universidad Rey Juan Carlos junto que utiliza un nuevo material llamado perovskita híbrido metilamonio con el fin de desarrollar células solares más económicas . El perovskita híbrido metilamonio tiene el 20% de la eficiencia certificada y se posiciona como una opción barata a las tecnologías existentes para la producción de células solares de lámina delgada, ya que permite el uso de técnicas de producción mucho más sencillos y a baja temperatura (< 150° C), permite nuevas aplicaciones. Los resultados de este estudio representan un importante paso adelante para la fabricación de células solares de lámina delgada, ya que en la actualidad la tecnología se basa en materiales inorgánicos como el teluro de cadmio (CdT) o selenuro cobre, indio y galio (CIGS) que utilizan métodos de producción más caros de la temperatura de proceso alto (> 500∞)

Materiales inteligentes

Diseño

la mejora en los materiales utilizados en la construcción, como el cemento, hormigón y asfalto, son objeto de numerosos estudios, destinadas a ofrecer mejoras a nivel de resistencia, eficicacia y reducción de costos, en particular. Gracias a la nanotecnología, el cemento ecológico y termocrómico que cambia de color con la temperatura y puede ser utilizado como un revestimiento inteligente. Además se trabaja en un nuevo tipo de hormigón que tiene la capacidad de repararse a sí mismo. A diferencia de otros estudios con hormigón que se autorreparan desde el exterior, este material pueda lograr recuperarse desde el interior, ya que contiene microcápsulas de silicio, llenos de resina epoxi que se rompen cuando se produce grietas en el el hormigón para poder repararlo. Para el caso del asfalto se espera duplicar la vida de asfalto mediante la adición de unas pequeñas fibras de lana de acero que tienen la capacidad de derretir el asfalto cuando pasa la corriente eléctrica, lo que permite recuperar la mezcla de asfalto y grava que se utiliza como pavimento en las carreteras. Otro uso inteligente de materiales en el sector de la construcción es el desarrollo de las estructuras Inteligentes, que son los que gracias a la combinación de materiales inteligentes capaces de auto diagnosticarse y cambiar para adaptarse a las circunstancias que se han marcado como óptimos o correcta.

Sensores

el desarrollo de sensores para el gran campo que se está abriendo por medio de las tecnologías de internet de las cosas es una de las utilidades que garantice la investigación que realizan en el proyecto Graphos, que dirige una empresa de especialidades químicas de Cromogenia y propone el objetivo de la contabilidad de grafeno y nanoestructuras carbonosas en una amplia gama de la matriz del polímero que está a la espera de conseguir su integración en una gran cantidad de productos con características avanzadas y propiedades mecánicas mejoradas.

Robótica

gracias al desarrollo de diversos tipos de materiales se realiza en gran medida el desarrollo de la robótica suave, una disciplina nueva de la tecnología que permitirá un gran avance en el sentido de que la robótica nos ofrezca las mejores utilidades para las personas. Actualmente se trabaja en la creación de nuevos materiales que ayuden a curar enfermedades a través de investigaciones como el diseño de piel robótica que ayude a las personas. Estos imitan las capacidades de algunos animales, como por ejemplo el poder de reunirse con el medio ambiente o de regular su temperatura corporal. Los científicos  trabaja en el desarrollo de las vendas inteligentes capaces de curar las heridas y exploran también como lograr una sustitución normal de la ropa algo así como una segunda piel que se adapte al cuerpo. A través de estas innovaciones puede ayudar a las personas mayores o personas con discapacidad a recuperar la movilidad y que en el futuro todos los asientos podrán ser reemplazados por pantalones que generen el movimiento.

Biónica

En la fusión de la tecnología con la biología , nos encontramos una de las palancas principales para el salto evolutivo que se celebra en estos momentos de la humanidad, en busca de nuevos horizontes, y en el nivel de amplificación de la vida y en lo que se refiere a la exploración del espacio. Para ambos aspectos son importantes los avances que se realizan a través de la biónica, actualmente los cientificos han sido capaces de regenerar las células del cartílago tomados de los pacientes que se sometieron a cirugía de la rodilla, y posteriormente de manipularlas en   laboratorio y rejuvenecerlas, volviendo al estado de células madre pluripotentes, que son las células madre capaces de convertirse en células de diferentes tipos. Estas células madre tienen la capacidad de extenderse tras ser encapsuladas en un compuesto celulosa nanofibrilada que se imprime para hacer más de los bosques mediante el uso de bioimpresora 3D.

Transporte

El uso de los nuevos materiales en el mundo del transporte puede generar importantes beneficios en la reducción de la tan dañina contaminación, del medio ambiente, la reducción de los costos de combustible y de mejoras en la construcción en la eficiencia de los vehículos. Además vemos que todo tipo de medios de transporte pueden verse beneficiados por estos avances, como en el caso de las bicicletas donde nos encontramos con interesantes innovaciones como la realizada por la compañía española Racormance, que creó la primera bici en el mundo hecha en fibra de basalto. La compañía utiliza la fibra de basalto por sus excelentes propiedades de absorción de choque y de vibración. Además otras de las principales propuestas de valor de la empresa, es su apuesta por la producción 100% Made in Spain.

la Ropa

En el mundo de la moda se puede mejorar mucho mediante el desarrollo de nuevos materiales. Actualmente los estudios van enfocados para crear nuevas prendas destinadas al entrenamiento deportivo, que tienen las características de ser transpirable y contar con válvulas de ventilación que se abren y cierran en respuesta al calor y el sudor. Estas válvulas de ventilación alineados con microbianos de las células vivas que se contraen y se expanden en respuesta a los cambios de humedad, actuando como sensores y activadores, para asegurarse de que las válvulas se abren cuando el atleta suda y se cierran cuando el cuerpo se enfría. Los científicos trabajan en un modelo con el que sea posible combinar nuestras células de herramientas genéticas para introducir otras características de estas células vivas. Por ejemplo con el uso de la fluorescencia para hacer visibles a las personas que trabajan en la oscuridad. También puede combinar las funciones de bloqueo de olores mediante ingeniería genética ,  tal vez después de ir al gimnasio la camiseta que utilizamos pueda tener buen olor.

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