UC Berkeley: un metamaterial que anula el sonido
Investigadores de la universidad han creado una sustancia innovadora capaz de absorber ondas sonoras de forma eficiente. Este avance, publicado en Nature Materials, promete revolucionar la creación de entornos más silenciosos y mejorar la tecnología de sonar.
Avances en materiales: Cambiando nuestro mundo
Imagina un mundo donde el sonido simplemente desaparece. Investigadores de la UC Berkeley acercaron un poco más ese sueño a la realidad en 2023. Desarrollaron un nuevo metamaterial que absorbe las ondas sonoras de manera muy eficiente. Este descubrimiento, publicado en Nature Materials, podría contribuir a crear espacios más silenciosos y un mejor sonar. La ciencia de los materiales es la base de la tecnología. A través de ella, entendemos y creamos sustancias, desde estructuras atómicas hasta productos terminados. Este campo no se trata solo de hacer cosas nuevas. También de comprender cómo funcionan las existentes. Esa comprensión impulsa el progreso en todo lo que hacemos, desde la medicina hasta los viajes espaciales.
Diseñando lo imposible: Los metamateriales cambian la realidad
Los metamateriales son sustancias que diseñamos. Tienen propiedades que no encontrarás en la naturaleza. Su estructura, no su composición, les confiere propiedades únicas. Pueden manipular la luz, el sonido y el calor de formas novedosas. El equipo del Dr. Xiang Zhang en la UC Berkeley, por ejemplo, desarrolló esa técnica de absorción de sonido.
Considera las capas de invisibilidad. Investigadores de la Universidad de Purdue demostraron una capa térmica en 2017. Este dispositivo hacía que los objetos desaparecieran de los detectores de calor. El equipo del profesor Xiulin Ruan llevó a cabo ese trabajo. Utilizaron materiales con estructuras cuidadosamente estratificadas.
Los metamateriales ópticos pueden incluso doblar la luz “hacia atrás”. Esto crea un índice de refracción negativo. Científicos del MIT continúan desarrollando estos conceptos. Gracias a ellos, podríamos obtener superlentes. Estas lentes podrían fotografiar cosas más pequeñas que una onda de luz.
DARPA, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa, invierte en investigación de metamateriales. Buscan mejores sensores para detectar amenazas con mayor precisión. También buscan antenas más ligeras y eficientes para nuestros sistemas de comunicación.
Materiales más resistentes: Los compuestos y las cerámicas superan los límites
Los nuevos materiales compuestos están cambiando las industrias. Ofrecen mayor resistencia con menos peso. Los compuestos de matriz cerámica (CMCs) son un gran ejemplo. Soportan calor extremo y condiciones difíciles. GE Aviation incorpora CMCs en las piezas de los motores a reacción.
El motor LEAP de GE, lanzado en 2016, tiene cubiertas de turbina de CMC. Estas piezas funcionan a mayor temperatura. Esto permite que los motores quemen menos combustible. El Dr. Jonathan W. C. de Vries, ingeniero de GE, elogió su durabilidad. Los CMCs reducen miles de kilogramos del peso de un motor.
En 2017, investigadores de la Universidad de Purdue, liderados por el profesor Xiulin Ruan, demostraron una capa térmica que hace que los objetos desaparezcan de los detectores de calor. Este avance en metamateriales manipula el flujo de calor, ofreciendo posibles aplicaciones en la gestión térmica y la tecnología furtiva. (Fuente: techeblog.com)
Las cerámicas avanzadas también se utilizan en medicina. Las cerámicas biocompatibles como la zirconia son comunes. Los médicos las usan en implantes dentales y reemplazos de articulaciones. Investigadores de la Clínica Mayo han estudiado su longevidad. La zirconia resiste el desgaste de manera efectiva.
Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs) son otro desarrollo significativo. Boeing incorpora una gran cantidad de CFRPs en su 787 Dreamliner. El cuerpo del avión es principalmente de CFRP. Esto reduce en gran medida el peso total del avión. Los aviones más ligeros usan menos combustible.
Materiales inteligentes: Soluciones curativas y sostenibles
Los materiales autorreparables se reparan por sí mismos. Hacen que los productos duren más. Esto reduce los residuos y los costes de reparación. Científicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign iniciaron este campo. La profesora Nancy Sottos lideró sus primeros trabajos en la década de 2000.
La investigación de su equipo utilizó pequeñas cápsulas llenas de agentes curativos. Cuando aparecen grietas, estas rompen las cápsulas. El agente luego se endurece, sellando el daño. Esta tecnología se puede utilizar en recubrimientos y piezas de construcción. Protege los elementos del desgaste y la oxidación.
Los materiales sostenibles abordan las preocupaciones ambientales. Los bioplásticos, fabricados a partir de plantas renovables, están ganando popularidad. El ácido poliláctico (PLA), por ejemplo, proviene del almidón de maíz. NatureWorks, un productor líder, fabrica Ingeo PLA. Se encuentra en envases y ropa.
Los materiales de captura de carbono también son vitales. Investigadores de la Universidad de Stanford crearon nuevos sorbentes en 2022. Estos materiales capturan dióxido de carbono del aire de manera eficiente. El equipo del profesor Yi Cui se centró en los marcos metal-orgánicos (MOFs). Los MOFs tienen una gran superficie para absorber gas.
Otro enfoque innovador es el upcycling de residuos plásticos. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley crearon un nuevo plástico en 2019. Se puede deconstruir en sus componentes moleculares repetidamente. Esto permite un reciclaje infinito sin perder calidad. El Dr. Brett Helms lideró este proyecto.
Materiales cuánticos y 2D: Nuevas fronteras para la computación
El grafeno es un material notable. Es una única capa de átomos de carbono. El grafeno es 200 veces más resistente que el acero. También conduce la electricidad de manera más efectiva que el cobre. Sir Andre Geim y Sir Konstantin Novoselov lo descubrieron en 2004. Ganaron el Premio Nobel por su descubrimiento.
El Boeing 787 Dreamliner, a menudo llamado el "Dreamliner", es una maravilla de la ciencia de los materiales, con más del 50% de su estructura principal, incluyendo el fuselaje y las alas, hecha de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs). Este uso extensivo de compuestos ligeros reduce significativamente el peso de la aeronave, lo que lleva a una mayor eficiencia de combustible y mayores alcances de vuelo. (Ilustración generada por IA)
El grafeno parece prometedor para la electrónica más rápida. IBM ha demostrado transistores de grafeno. Estos transistores funcionan a frecuencias más altas y podrían alimentar computadoras ultrarrápidas. Sin embargo, producirlos en grandes cantidades sigue siendo un desafío.
También están surgiendo otros materiales 2D. El nitruro de boro es un aislante. Se puede mezclar con grafeno para construir nuevos dispositivos. Los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) funcionan como semiconductores. Ofrecen alternativas al silicio en la microelectrónica.
Los aislantes topológicos son un nuevo tipo de material cuántico. Solo conducen electricidad en su superficie. En el interior, permanecen aislantes. Esto protege a los electrones de las imperfecciones a medida que fluyen. Científicos de la Universidad de Princeton han estudiado su uso para la computación cuántica. El equipo del profesor Zahid Hasan estudia su inusual comportamiento electrónico.
Estos materiales podrían permitirnos desarrollar computadoras cuánticas más resistentes. También podrían conducir a dispositivos espintrónicos que usen menos energía. La investigación sobre sus propiedades básicas continúa en todo el mundo. El Departamento de Energía apoya muchos de estos proyectos.
¿Qué sigue para los materiales?
La ciencia de los materiales aún enfrenta desafíos. Fabricar nuevos materiales a escala es un desafío. Muchas creaciones de laboratorio son demasiado caras de producir. Esto ralentiza su uso en el mercado. Por lo tanto, encontrar métodos rentables para fabricarlos es una prioridad clave.
Los científicos también están utilizando la IA para descubrir materiales. Los algoritmos de aprendizaje automático pueden predecir las propiedades de los materiales. Aceleran el diseño. Esto significa menos necesidad de pruebas físicas extensas. La red AI Horizons de IBM está investigando activamente esto.
Los materiales bioinspirados son otro campo prometedor. Los científicos imitan estructuras naturales para obtener nuevas propiedades. La resistencia de la seda de araña, por ejemplo, inspira nuevos polímeros. Esto podría conducir a materiales altamente sostenibles y duraderos. El Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros realiza una investigación importante en este ámbito.
Los futuros avances probablemente implicarán materiales multifuncionales. Estos materiales realizan múltiples funciones simultáneamente. Imagina una parte de un edificio que también genera electricidad. Tales ideas podrían remodelar la energía y la infraestructura. La Fundación Nacional de Ciencias apoya gran parte de esta investigación básica.
Preguntas que podrías tener
¿Qué hace realmente la ciencia de los materiales? Intenta comprender y controlar la materia. Su objetivo es crear nuevos materiales con características específicas. Este campo avanza la tecnología en incontables industrias.
La seda de araña, reconocida por su extraordinaria relación resistencia-peso, es una inspiración clave para los científicos que desarrollan nuevos materiales bioinspirados. Los investigadores buscan imitar sus propiedades duraderas y sostenibles para crear polímeros avanzados para diversas aplicaciones. (Fuente: askentomologists.com)
¿En qué se diferencian los metamateriales de los materiales comunes? Los metamateriales obtienen sus características de la forma en que los construimos. Su comportamiento único proviene de su estructura, no de su química. Los materiales comunes dependen de sus átomos y moléculas. Esta ingeniería permite a los metamateriales hacer cosas “imposibles”.
¿Qué dificultades presenta la fabricación de nuevos materiales? La ampliación de la producción y el costo son desafíos importantes. Fabricar grandes cantidades de nuevos materiales suele ser difícil y costoso. También nos preocupa cómo se desempeñarán y durarán fuera del laboratorio.
¿Cómo ayuda la IA a los científicos de materiales? La IA acelera el descubrimiento y la mejora de materiales. Predice las propiedades de los materiales a partir de datos. También sugiere nuevas “recetas”. Esto reduce drásticamente el tiempo y el dinero de la investigación.
La Inteligencia Artificial está revolucionando la ciencia de los materiales al predecir rápidamente propiedades, simular nuevas estructuras y sugerir novedosas "recetas" de materiales, reduciendo drásticamente el tiempo y el costo de la investigación en la búsqueda de avances. (Fuente: eta.lbl.gov)
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