08/10/24
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Materiales inteligentes: definición, ejemplos y usos
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Los materiales inteligentes son el presente. ¿Te imaginas un edificio que se repare solo, una camiseta capaz de regular la temperatura corporal o una prótesis que responde a impulsos eléctricos?
Estas son algunas posibilidades que te ofrecen estos materiales innovadores que están revolucionando todos los sectores, desde la construcción a la medicina, pasando por el textil o el electrónico.
Materiales termoeléctricos, piezoeléctricos o con memoria de forma son elementos clave para la transición hacia modelos de fabricación y consumo más sostenibles.
¿Quieres seguir profundizando sobre qué son, qué tipos hay y qué aplicaciones tienen los materiales inteligentes? Sigue leyendo, te lo vamos a explicar.
¿Qué son los materiales inteligentes?
Los materiales inteligentes (smart materials en inglés) son materiales capaces de reaccionar ante diferentes estímulos externos, normalmente, mediante la alteración de una o varias de sus propiedades (color, forma, tamaño, opacidad, etc.).
Algunos de los estímulos que pueden originar una reacción en estos materiales pueden ser cambios en la temperatura, humedad, químicos, de pH, de presión o la exposición a la corriente eléctrica o a campos magnéticos.
Estos materiales que se conocen también como materiales activos o multifuncionales pueden emplearse como sensores o como actuadores:
Los sensores transforman campos mecánicos (deformaciones, temperaturas o esfuerzos) en señales eléctricas o magnéticas medibles.
Los actuadores convierten campos magnéticos, térmicos o eléctricos en una señal de salida mecánica (desplazamientos, esfuerzos o deformaciones) para realizar un trabajo.
Tipos de materiales inteligentes: ejemplos innovadores
Los materiales inteligentes pueden clasificarse en 5 grandes categorías, según el tipo de estímulo al que reaccionan o la funcionalidad que desarrollan, presentando cada grupo propiedades únicas para adaptarse dinámicamente al entorno.
Mecanoactivos
Reaccionan a estímulos mecánicos como la presión, vibración o deformación. Algunos ejemplos son:
Piezoeléctricos. Transforman la energía mecánica en eléctrica o viceversa como el fluoruro de polivinilideno o las cerámicas piezoeléctricas. Suelen usarse en sensores y vibradores.
Materiales con memoria de forma. Recuperan la forma original después de deformarse por acción de la temperatura o un esfuerzo. Es el caso del nitinol, una aleación de níquel y titanio que también es termoactivo.
Electroreológicos y magnetorreológicos. Modifican su viscosidad con campos eléctricos o magnéticos, por lo que se usan, por ejemplo, en amortiguadores adaptativos. Es el caso de fluidos con partículas magnéticas en aceite.
Termoactivos
Este tipo de materiales reaccionan a cambios de temperatura, humedad o volumen:
Materiales con cambio de volumen. Se expanden o contraen con agua o temperatura, como los hidrogeles que se utilizan en válvulas.
Termocrómicos. Reaccionan cambiando de color con el calor. Suelen emplearse en etiquetas térmicas, juguetes o seguridad alimentaria. Un ejemplo de este tipo de material activo son los pigmentos semiconductores en cerámicas o polímeros.
Aleaciones con memoria térmica. Recuperan su forma original si se calientan, como el anteriormente mencionado nilitol, muy útil en ingeniería médica y robótica.
Electroópticos y fotoactivos
Este tipo de materia interactúa con la electricidad o con la luz modificando sus propiedades ópticas:
Fotocrómicos. Son los que alteran su color al exponerse a la luz ultravioleta. Se usan en gafas de sol, por ejemplo. En este grupo puedes encontrar las tintas UV reactivas o los cristales orgánicos.
Electrocrómicos. En este caso, cambian de color o alteran su transparencia al aplicar una corriente eléctrica, como los óxidos de tungsteno. Por eso son ideales para fabricar ventanas inteligentes.
Fotoluminiscentes o electroluminiscentes. Emiten luz por energía electromagnética o eléctrica, por lo que resultan especialmente útiles en la fabricación de pantallas o señalizaciones. Aquí encontramos los OLEDs y los fósforos dopados.
Químico-Biológicos
Se trata de materiales sensibles a estímulos químicos, biológicos o ambientales complejos:
Halocrómicos. Cambian de color según el pH. Se usan en laboratorios o textiles interactivos.
Hidrocrómicos. Reaccionan ante la humedad cambiando de color. Esto explica que se utilicen en sensores ambientales, y también en el sector textil.
Biomateriales inteligentes. Se utilizan en medicina regenerativa, en la liberación de fármacos y tejidos interactivos, como el gel polimérico inteligente o la nanocelulosa.
Biomateriales sostenibles y biodegradables. Suponen alternativas ecológicas al plástico tradicional como el Shrilk (a base de quitina) o los plásticos biodegradables.
Materiales estructurales avanzados o híbridos
Los materiales estructurales combinan resistencia, ligereza, versatilidad y funcionalidad:
Grafeno. Es capaz de conducir electricidad y calor, y es 200 veces más fuerte que el acero. Se utiliza en electrónica, baterías y tejidos conductores.
Aerogel. Se trata de un aislante térmico de alta eficiencia energética, además de ser extremadamente ligero. Se utiliza en construcción y en la industria aeroespacial.
Metamateriales. Tienen la capacidad de manipular las ondas (de luz, sonido, etc.). Son grandes apuestas para el camuflaje óptico y las telecomunicaciones.
Materiales autoensamblables. Se organizan de manera espontánea a escala molecular. Por ello, son potenciales en nanotecnología.
Vidrios flexibles y materiales impresos 3D. Gracias a sus propiedades permiten la fabricación de estructuras complejas y resistentes. Se usan en electrónica avanzada y arquitectura digital.
Aplicaciones de los materiales inteligentes
Las aplicaciones de los materiales inteligentes son variadas. Son una apuesta para productos y soluciones que mejoran la eficiencia energética, el rendimiento y la sostenibilidad en diversos sectores:
En construcción están revolucionando la arquitectura bioclimática con propuestas como el hormigón autorreparable, los aislamientos con aerogel o las fachadas adaptativas. Un ejemplo de ello son los amortiguadores magnetorreológicos, que incrementan la resistencia sísmica, o las cerámicas piezoeléctricas y arandelas de nilitol, que permiten ajustar la tensión estructural con mucha precisión.
En medicina, gracias a la introducción de estos materiales se pueden fabricar prótesis adaptativas o catéteres inteligentes con sensores MEMS (del inglés Micro-Electro-Mechanical Systems). Monitorizan la presión y pueden liberar medicamentos de forma controlada.
En energía y medioambiente, estos materiales inteligentes ayudan a desarrollar celdas solares adaptativas para paneles solares inteligentes, generadores piezoeléctricos que aprovechan movimientos para alimentar dispositivos o sistemas de depuración de reactivos.
Los materiales activos ofrecen grandes posibilidades también en sectores como la aeronáutica o la agricultura gracias a la integración de aleaciones con memoria de forma, textiles inteligentes o fertilizantes responsivos.
Ventajas y desafíos de los materiales inteligentes
Como todos los grandes avances, los materiales inteligentes brindan grandes ventajas, pero también plantean importantes desafíos a la hora de ir sustituyendo los materiales tradicionales.
En la siguiente tabla puedes conocer los más relevantes:
Ventajas de los materiales inteligentes |
Desafíos de los materiales inteligentes |
|---|---|
Mayor adaptabilidad y funcionalidad mecánica. |
Coste elevado de desarrollo y producción. |
Eficiencia energética y optimización de sistemas. Reducen la necesidad de componentes adicionales y mejoran el rendimiento. |
Complejidad en el modelado y diseño para optimizar su comportamiento, especialmente a microescala. |
Nuevas capacidades y soluciones antes impensables. |
Requieren inversión en investigación en procesos de fabricación estandarizados. |
Respuestas inteligentes, personalizadas y autónomas gracias a sensores o actuadores integrados. |
Necesitan un esfuerzo cooperativo y sinergias multidisciplinares. |
Mejoran la integridad estructural al permitir diseñar estructuras multifuncionales que monitorizan, se adaptan y se autorreparan.
|
Necesitan investigación activa en áreas como su vida útil a largo plazo. |
Ayudan a reducir el peso y a construir sistemas más compactos. |
Algunos materiales híbridos son difíciles de reciclar. |
En todo caso, la evolución de los materiales inteligentes va a ser esencial en la construcción, la fabricación de productos, las Smart City o las ciudades inteligentes, las energías renovables y los sistemas autónomos del futuro.
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