Nuevos materiales inteligentes

El estudio de prospectiva tecnológica sobre “Nuevos materiales inteligentes” se enmarca dentro de las actividades que la Fundación Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (Opti) viene realizando en colaboración con la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (Fecyt) y se ha contado para su ejecución con la participación de Tecnalia. En este informe se identifican, con la ayuda de un importante número de expertos consultados, una serie de tecnologías consideradas como críticas por la importancia que tendrán para la innovación en tres sectores básicos y que deberían ser objeto de actuaciones concretas dentro de las futuras políticas tecnológicas. El estudio ha sido claramente orientado hacia las necesidades de los sectores del transporte, la salud y la energía y medio ambiente.

La metodología utilizada para la realización del estudio se basó en una evaluación, principalmente cualitativa, dada la amplitud de los ámbitos de investigación relacionados con los materiales inteligentes y los sectores de aplicación de los mismos. Así mismo, se aplicó un método novedoso con el objetivo de analizar la sostenibilidad económica, social y medioambiental de las diferentes tecnologías identificadas.

El objetivo principal del presente estudio de prospectiva fue el de identificar y valorar las tendencias de investigación y los desarrollos tecnológicos relacionados con los nuevos materiales inteligentes, en un horizonte temporal de 10-15 años, aplicados a los sectores señalados.

Clasificación de materiales

Los materiales inteligentes, también denominados materiales activos o materiales multifuncionales, son aquellos que manifiestan un cambio en sus propiedades o en su forma como respuesta a los estímulos del entorno en el que se encuentran. Estos estímulos externos (físicos o químicos) pueden ser tales como la presión, temperatura, humedad, pH, campos eléctricos o magnéticos, etc.

En las Tablas 1 y 2, se encuentran materiales de naturalezas muy diversas como los polímeros, metales y aleaciones de los mismos, cerámicas, electrocerámicas, materiales compuestos o biomateriales, que responden a estímulos diferentes como la temperatura, luz, deformación, pH, campos magnéticos o corrientes eléctricas.

Las respuestas que provocan estos estímulos en los materiales también son muy variadas e incluyen cambios de la viscosidad, color, de forma, en su red cristalográfica o de estados energéticos de sus electrones.

Fotoactivos

Son aquellos capaces de emitir energía en forma de luz. La propiedad de la fotoactividad se da a consecuencia de que los electrones de valencia son excitados a niveles más elevados por distintos estímulos y posteriormente vuelven a caer a niveles de energías inferiores emitiendo fotones, es decir, luz.

Electroluminiscentes

La electroluminiscencia, en términos generales, es la emisión de luz inducida por una corriente eléctrica aplicada. Los materiales electroluminiscentes, al igual que los fotoluminiscentes, incluyen tanto materiales orgánicos como inorgánicos.

Fotoluminiscentes

El principio básico de la fotoluminiscencia es que los electrones que orbitan alrededor de los átomos o las moléculas absorben energía debido a la colisión con protones durante la excitación y, a continuación, se emite ese exceso de energía en forma de fotones (normalmente, luz visible) durante cierto tiempo.

Quimioluminiscentes

La luminiscencia es definida como la emisión de luz asociada con la disipación de energía con una sustancia electrónicamente excitada. En el caso de la quimioluminiscencia, la emisión de luz es causada por los productos de una reacción química específica, en la que se involucran las siguientes sustancias según el sistema automatizado que sea utilizado.

Termoluminiscentes

El fenómeno de la termoluminiscencia consiste en la emisión de luz por ciertos materiales al ser calentados, por debajo de su temperatura de incandescencia, habiendo sido previamente expuestos a la acción de un agente excitante como las radiaciones ionizantes.

Cromoactivos

Son aquellos que responden a un estímulo externo, cambiando sus propiedades ópticas de manera que el material modifica su apariencia de manera significativa. Es decir, sus propiedades de absortividad, reflectividad y transmisividad cambian lo suficiente como para causar un cambio en su color, reflectividad o transparencia.

Electrocrómicos

El mecanismo reside en reacciones electroquímicas que suponen una transferencia de electrones e iones entre electrodos y el material electrocrómico. Cuando una corriente eléctrica se hace pasar a través del material y los iones y electrones cambian entre electrodos, hay una cantidad de energía incidente con longitudes de onda en el visible, que pueden ser absorbidas, causando un cambio de color en el material volviéndose menos transmisivo.

Termocrómicos

El termocromismo es la habilidad de cambiar de color debido a un cambio en la temperatura de manera reversible.

Quimiocrómicos

Los materiales que presentan efecto quimiocrómico son aquellos que manifiestan un cambio de color frente a estímulos químicos como el cambio de polaridad, pH o la presencia de iones metálicos. Generalmente, se clasifican en función del fenómeno que induce el cambio de color (solvatocromismo, ionocromismo, halocromismo, etc.). Estos materiales se emplean en el uso en superficies expuestas a la sustancia contaminante a detectar y entran dentro de la familia de sensores colorímetros.

Fotocrómicos

Un material fotocrómico cambia de transparente a color cuando es expuesto a la luz y revierte a transparente cuando esa luz cesa.

Bioactivos

Son los materiales que inducen una actividad biológica específica. A diferencia de los materiales bioinertes, este nuevo tipo de material entra en interacción con procesos biológicos, estimulando, por ejemplo, la regeneración de tejidos humanos.

Magnetoestrictivos

Estos materiales muestran un cambio en su geometría (deformación o elongación) cuando se aplica un campo magnético. El efecto inverso se denomina piezomagnetismo, donde un campo magnético es producido o modificado bajo la aplicación de una deformación mecánica.

Electroestrictivos

Estos materiales, al igual que los piezoeléctricos, soportan un cambio dimensional bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado a una polarización bajo una tensión mecánica. La diferencia entre la piezoelectricidad y la electroestricción aparece cuando se invierte el sentido del campo eléctrico; mientras el piezoeléctrico puede alargarse o comprimirse, el electroestrictivo solo puede alargarse, independientemente de la dirección del campo eléctrico aplicado, mostrando un comportamiento no-lineal.

Piezoeléctricos

Estos materiales presentan una propiedad descubierta por los hermanos Curie denominada piezoelectricidad, que es la capacidad que muestran ciertos materiales cristalinos cuando se ven sometidos a una deformación externa, para generar carga eléctrica debido al desplazamiento de cargas dentro de dicha red. Al ejercer una tensión mecánica sobre estos materiales, la polarización eléctrica del material cambia provocando la aparición de un campo eléctrico (efecto directo). Y viceversa, si se aplica un campo eléctrico sobre este material, éste reacciona deformándose (efecto inverso), siendo éste un proceso reversible. Esto implica que recupera su forma o polarización en cuanto se deja ejercer el campo eléctrico o mecánico.