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De denominación variada: materiales inteligentes, activos y ‘smart’ material

Sentimientos y respuestas ante el entorno

José Ramón Dios, director del proyecto Actimat 25/06/2012

25 de junio de 2012

Los materiales inteligentes son aquellos capaces de sentir y responder ante el entorno, bajo unos criterios definidos previamente. Y, hasta hace pocos años, todos nos hemos maravillado ante los displays de cristal líquido (LCD) presentes en pantallas planas de ordenador, teléfonos móviles, etc. Posteriormente siguió el plasma, el LED, y ya van entrando los OLED (Organic Light-Emitting-Diode), pantallas en base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos, permitiendo diseños más ligeros y flexibles.

Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder también llegar a configurar estructuras, sistemas y procesos inteligentes de aplicaciones múltiples. Son materiales que permiten integrar funcionalidades en el propio material, simplificando muchos productos actuales y aportando valor añadido. Además, mediante la combinación de estos materiales, se pueden generar estructuras y procesos capaces de autodiagnosticarse, modificarse para adaptarse a unas mejores condiciones. Algunos de estos materiales se conocen desde hace muchos años y otros (la mayoría) son de reciente aparición. 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.

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José Ramón Dios, director del proyecto Actimat.

Una de las ventajas de los materiales poliméricos es su flexibilidad para ser diseñados y sintetizados para alcanzar determinadas propiedades activas predefinidas. En muchas ocasiones está ligado a la nanotecnología, dado que muchos de los llamados materiales inteligentes son el resultado macroscópico de muchas actuaciones en la escala nanométrica (la millonésima parte de un milímetro). Un mundo, donde es posible mediante reacciones químicas situar las moléculas funcionales donde nos interesa dentro del material para que cumpla su función. Actualmente todos nos asombramos de la evolución de la electrónica, plasmada en la evolución de las pantallas en móviles, televisores, electrodomésticos, ascensores y automóviles, donde la electrónica ha irrumpido en forma de sensores, actuadores, memorias y displays, entre otros componentes. Dentro de muchos de estos nuevos componentes se esconden los llamados materiales inteligentes.

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Nanopartículas visualizadas con microscopio SEM.

Su denominación es variada, materiales inteligentes, activos, ‘smart material', y dada su amplia gama e naturalezas y funciones, es difícil establecer donde están los límites para definir material funcional, activo o inteligente. Un intento de clasificación y presentación es o bien atendiendo al estímulo al que responden o atendiendo al tipo de respuesta que ofrecen. A continuación, en la Tabla 1 se enumeran agrupados por el tipo de respuesta o comportamiento algunos de los materiales comúnmente denominados como activos o inteligentes.

Nanopartículas visualizadas con microscopio TEM.
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Sus aplicaciones

Los materiales inteligentes pueden por sí solos constituir productos inteligentes o elementos fundamentales como sensores y actuadores de uso en ingeniería civil y servicios a la sociedad en general. Como sensor, el material ante un cambio determinado ofrece una señal (eléctrica, emite luz, cambio de color, …) y como actuador, ante un determinado estímulo (eléctrico, frecuencia de luz, esfuerzo mecánico, …) genera un desplazamiento, una fuerza, etc. que actúa modificando el producto. Los sensores y actuadores, a su vez, se pueden combinar ofreciendo toda la gama de posibilidades de autocontrol, autodiagnóstico, e incluso autorepararse. Hoy en día se aplican en sistemas de monitorización y control activo en muchos procesos y en algunos productos. Además de los materiales en forma de sensores y actuadores, se requiere de un control de gestión en base a unos criterios previamente programados. Su irrupción en el mercado es muy notable, como se puede ver a continuación.

Son materiales que permiten integrar funcionalidades en el propio material, simplificando muchos productos actuales y aportando valor añadido
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Material polimérico con memoria de forma.

En automoción, se distinguen varios campos de actuación: en electrónica, en forma de sensorización como detectores de encendido de luces, accionamiento de parabrisas, ayuda en el aparcamiento, avisos de colocación del cinturón y en forma de nuevas estéticas cambiantes y personalizadas, cambios de color y transparencia, dado que no hay que olvidar que algunos de estos materiales también se pueden desarrollar para ser aplicados como pinturas y recubrimientos. Aplicaciones de tipo industrial como el desarrollo de 'amortiguaciones inteligentes' basados en fluidos magnetorreológicos, que pretende alcanzar un compromiso entre comodidad y seguridad. En electrodomésticos, los materiales inteligentes encuentran su campo de aplicación en temas tan variados como sensorización en lavadoras, aspiradores robot, control de temperatura por cambio de color en sartenes, freidoras, etc. En el sector salud, algunas aplicaciones de los materiales inteligentes son la utilización de los materiales de memoria de forma titanio-níquel en ortodoncia como alambres correctores dentales, las cánulas intravenosas, uniones de roturas óseas, dispositivos para cirugía cardiaca mínimamente invasiva, etc.

Por lo que hace referencia al mundo del envase y el embalaje, estos materiales permiten garantizar la calidad de los productos y, además, ayudan a controlar los procesos de producción y distribución, mediante su aplicación al desarrollo de envases que controlen la duración del contenido, que lo defiendan contra la contaminación por microorganismos, etc. Asimismo, permiten evitar la manipulación indebida de envases y permiten efectuar, si se requiere, un control de temperaturas en caso de que el envase exija refrigeración (seguimiento de la cadena de frío mediante etiquetas termocrómicas), etc.

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Síntesis de material inteligente.

En la seguridad, en todos sus ámbitos y especialmente en el laboral, es otro de los campos de gran potencial de aplicación de los materiales inteligentes. Las señales visuales cuanto más intensas y claras sean menor es el riesgo de accidente por lo que sería interesante, por ejemplo, disponer de materiales que sean capaces de cambiar de color con la temperatura, reduciendo así el riesgo de quemaduras y materiales que emiten luz para una mejor señalización (electroluminiscentes). En este ámbito, destacar también las investigaciones en amortiguación activa para la supresión de ruidos. A nivel industrial, por otro lado, la máxima aportación de estos materiales va enfocada al desarrollo de 'Procesos Inteligentes', con capacidad de control a todos los niveles. De esta manera se permite acortar el tiempo de proceso a la vez que se mejora y se abarata el producto final y se facilita el trabajo al operario, consiguiéndose, por un lado una mejora de las condiciones de trabajo y, por otro lado, una reducción del precio del producto final que repercute directamente en el usuario.

En general, los materiales llamados 'inteligentes' se solapan y se entremezclan con otras grandes tecnologías como las nanotecnologías, la microelectrónica y los biomateriales

Además de los sectores mencionados, la aplicación de los materiales inteligentes se extiende por prácticamente cualquier sector industrial que se considere, desde la industria textil y del calzado hasta la juguetera, industria esta última especialmente sensible a elementos diferenciadores que, a un bajo coste, den un valor añadido a sus productos.

Materiales inteligentes o activos

Materiales electro y magnetoactivos. Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos (magnetostrictivos, electrostrictivos, etc.), ampliamente empleados en el desarrollo de sensores. También, los nuevos desarrollos en base a materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP (Electro Active Polymers), cuyo desarrollo abren paso a los músculos artificiales y mecanismos orgánicos artificiales.

Materiales piezoeléctricos, materiales con la capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, se aplican en sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, etc. En la actualidad además de los cerámicos, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de films son fácilmente incorporados a plásticos y composites.

Materiales electro y magnetoreológicos, materiales capaces de alterar su propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos, silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en base a fluidos magnetoreológicos MRF.

Materiales fotoactivos: electroluminiscente, fluorescente, fosforescente 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 la energía y la emiten después de cesar la fuente de luz inicial. Se aplican ya a sistemas de señalización y seguridad. En el caso de los electroluminiscentes, emiten luz fría y su disposición en forma de film (lámparas planas) se están combinando en piezas plásticas mediante técnicas como IMD (In Mold Decoration) para realizar piezas 3D que emiten luz propia.

Materiales cromoactivos: termocrómico, fotoctrómicos, piezocrómicos, electrocrómicos, etc. Son materiales que modifican su color ante cambios de temperatura, luz, presión o una diferencia de potencial eléctrico. Los termocrómicos están ya presentes en forma de etiquetas de control de temperatura (cadena de frío), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, mangos), juguetes (cromos que al frotar muestran una imagen), etc.

Materiales con memoria de forma: aleaciones metálicas SMA y polímeros. Se definen como aquellos materiales capaces de 'recordar' su forma y capaces de volver a esa forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede producir por un cambio térmico o magnético. Las aleaciones metálicas (SMA), más conocidas son las aleaciones de níquel-titanio, cuyo nombre comercial es Nitinol, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA, se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo 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 extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, etc. En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores, como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras, sistemas de unión y separación controlados, etc.

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