Los materiales inteligentes, activos o multifuncionales son materiales capaces de responder de forma reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando algunas de sus propiedades.
Por su sensibilidad o rendimiento, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como para la configuración de estructuras y sistemas inteligentes para múltiples aplicaciones. En este caso, las estructuras inteligentes son, por ejemplo, aquellas que, gracias a la combinación de estos materiales, son capaces de autodiagnosticarse y modificarse para adaptarse a las condiciones que se han marcado como óptimas o correctas.
Algunos de estos materiales son conocidos desde hace muchos años y otros (la mayoría de ellos) sólo han aparecido recientemente. Se manifiestan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, y su comportamiento es muy diverso, siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos. Hoy en día, su importancia surge gracias a las nuevas tecnologías como la microelectrónica y la posibilidad de diseñar y sintetizar estructuras orgánicas poliméricas con propiedades activas predefinidas.
Por ejemplo, hasta hace unos años todos nos maravillábamos con las pantallas de cristal líquido (LCD) presentes en las pantallas planas de ordenadores, teléfonos móviles, etc…. etc.. Pero ya ha comenzado su andadura tras la aparición del OLED (Organic Light-Emitting-Diode), pantallas basadas en polímeros multicapa que emiten luz a pequeños estímulos eléctricos, permitiendo diseños más ligeros y flexibles. Combinando tecnología e imaginación, ya se comercializan estas nuevas pantallas, así como lámparas planas para sistemas de seguridad y señalización, piezas interiores de plástico de vehículos con luz propia. El desarrollo de nuevos productos basados en materiales activos es imparable.
Materiales inteligentes ejemplos
A continuación se agrupan por tipo de estímulo o comportamiento algunos de los materiales a los que comúnmente se hace referencia como activos o inteligentes:
Materiales Electro y Magnetoactivos. Son materiales que actúan o reaccionan a cambios eléctricos o magnéticos (magnetostrictivos, electrostrictivos,…), ampliamente utilizados en el desarrollo de sensores. Además, los nuevos desarrollos basados en materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP (Electro Active Polymers), cuyo desarrollo abre el camino a los músculos artificiales y a los mecanismos orgánicos artificiales.
Los materiales piezoeléctricos, materiales con la capacidad de convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos,…. etc. Hoy en día, además de la cerámica, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de películas se incorporan fácilmente en plásticos y compuestos.
Materiales electro y magnetorreológicos, materiales capaces de alterar sus propiedades reológicas frente a las variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables, en fluidos de distinta naturaleza (aceites de hidrocarburos, silicona o agua), que aumentan rápida y reversiblemente su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones, por ejemplo, en amortiguadores variables basados en fluidos magnetorreológicos MRF.
Materiales fotoactivos (Electroluminiscentes, Fluorescentes, Fosforescentes o Luminiscentes). Son materiales que actúan emitiendo luz. En el caso de los electroluminiscentes, cuando se alimentan con impulsos eléctricos, emiten luz, los fluorescentes devuelven la luz con mayor intensidad y los fosforescentes almacenan energía y la emiten después de que la fuente de luz inicial ha cesado.
Ya se aplican a los sistemas de señalización y seguridad. En el caso de las lámparas electroluminiscentes, emiten luz fría y su disposición en forma de película (lámparas planas) se combinan en piezas de plástico utilizando técnicas como IMD (In Mold Decoration) para hacer piezas 3D que emiten su propia luz.
Materiales cromáticos (Termocromáticos, Fotocromáticos, Piezocromáticos). Son materiales que modifican su color en caso de cambios de temperatura, luz o presión. Los termocrómicos ya están presentes en forma de etiquetas de control de temperatura (cadena de frío), artículos para el hogar (recipientes para microondas, sartenes, asas,…), juguetes (pegatinas que al frotarlas muestran una imagen),….
-Materiales con memoria de forma (aleaciones de metal SMA y polímeros). Se definen como aquellos materiales capaces de «recordar» su forma y de recuperarla incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma puede ser producido por un cambio térmico o magnético.
Las aleaciones metálicas más conocidas son las aleaciones de níquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, que responden a campos térmicos. Si un cable SMA pasa a través de una corriente eléctrica hasta que se calienta a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud, si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están muy extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia,…. En robótica, los alambres de nitinol se utilizan como músculos artificiales, resortes, mangos, etc….ya que las válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras, sistemas de unión y separación controlados, etc…etc.
En general, estos materiales denominados «inteligentes» se solapan y se entremezclan con otras tecnologías importantes como las nanotecnologías, la microelectrónica y los biomateriales.
Materiales inteligentes aplicaciones
Electrónica, robótica, biomedicina, ingeniería de tejidos…. Las aplicaciones de los materiales inteligentes, también llamados activos o multifuncionales, son numerosas y abren una gran puerta a un futuro conectado. Pero, ¿qué son?
Los materiales inteligentes se adaptan. Reaccionan a estímulos externos (estrés mecánico, temperatura, humedad, pH, campos eléctricos o magnéticos…) y se transforman. Estas respuestas se vuelven reversibles y también controlables, lo que significa que podemos predecir su comportamiento y utilizarlo en nuestro beneficio. Existen diferentes clasificaciones de materiales inteligentes. Así, por ejemplo, los fotoluminiscentes reaccionan antes a la emisión de luz (incluso a la luz fría); los radioluminiscentes se activan sólo con los rayos α, β o γ; los piezoeléctricos se activan y reaccionan a las tensiones mecánicas que producen reacciones eléctricas y viceversa (por ejemplo, el sonar); los cromoactivos cambian de color como resultado de los rayos X, la temperatura, la presión y la corriente eléctrica…. Pero también hay polímeros sensibles al pH, nanomateriales ultraligeros y resistentes que pueden comportarse como un sistema biológico y convertirse en autocurativos; y materiales con un efecto de memoria térmica.
¿Sabía que gracias a la inclusión de materiales inteligentes es posible imprimir en 3D sustancias ferromagnéticas capaces de moverse solas en respuesta a la luz, el calor o los campos magnéticos? En el MIT presentaron una técnica de impresión de materiales blandos que al activarse magnéticamente se transforman en una fracción de segundo. ¿Resultado? Un metamaterial mecánico que puede saltar y actuar como un robot que arrastra, rueda, atrapa objetos y transporta drogas.
Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Rey Abadalá (KAUST) en Arabia Saudita también han desarrollado un hidrogel conductor de electricidad, elástico y autocurativo. El nuevo material contiene agua, metal y carburo conocido como MXene. Además de poder estirarse en más de un 3.400%, puede volver rápidamente a su forma original y se adhiere a diferentes superficies, incluida la piel. Este tipo de material tiene aplicaciones médicas inmediatas como el desarrollo de parches biodegradables que ayudan a curar heridas o la creación de dispositivos electrónicos portátiles y dispositivos robóticos sensibles al tacto.
Pero sus creadores van más allá y se aseguran de que este material sensible y flexible aplicado a la cara de un usuario pueda distinguir diferentes expresiones faciales, como la sonrisa o el ceño fruncido, facilitando la comunicación a pacientes con parálisis extrema. Las tiras de material adheridas a la garganta pueden convertir el habla en señales electrónicas. El material inteligente tendría la capacidad de liberar medicamentos para promover la curación. Estos pueden ser aplicados internamente, en órganos enfermos, además de su uso externo en la piel.
Tipos de materiales inteligentes
Hay varios tipos de materiales inteligentes, por ejemplo:
- Materiales piezoeléctricos: Producen una tensión cuando se les aplica una tensión mecánica. Este efecto también ocurre inversamente, produciendo un estrés mecánico cuando se aplica voltaje eléctrico.
- Un polímero electroactivo es un polímero que cambia sus propiedades en respuesta a la presencia de un campo eléctrico.
- Materiales con efecto memoria térmica: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada al alcanzar una determinada temperatura.
- Materiales con efecto magnético de memoria y con magnetostricción: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada en presencia de campos magnéticos. Los segundos también tienen la propiedad inversa de modificar su magnetización ante la presencia de esfuerzos mecánicos.
- Polímeros sensibles al pH: Varían en tamaño en respuesta a los cambios en el pH del medio circundante.
- Halocromía: La capacidad de variar su color como resultado de un cambio en la acidez (por lo tanto, el pH).
Imagenes de materiales inteligentes ejemplos
Videos de materiales inteligentes ejemplos