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“Nuestros estudios sobre los materiales ferromagnéticos pueden colocar a la industria española en una posición de ventaja”

Entrevista a José Manuel Barandiarán, responsable del grupo de investigación de la UPV Magnetismo y Materiales Magnéticos

Laia Banús17/07/2009

17 de julio de 2009

Catedrático de Física Aplicada de la Universidad del País Vasco, fundador y primer presidente del Club español de Magnetismo y actual presidente del comité internacional del Soft Magnetic Materials, José Manuel Barandiarán es el responsable del grupo de investigación consolidado 'Magnetismo y Materiales Magnéticos' de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU. Dicha facultad tomó el relevo de Calcuta en la celebración del Congreso Internacional de Materiales Ferromagnéticos con Memoria de Forma, ICFSMA, cuya segunda edición tuvo lugar en Bilbao entre el 1 y el 3 de julio de este año. Asimismo, Barandiarán forma parte del consorcio Actimat, dedicado a la investigación de los materiales inteligentes.
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¿Los materiales también recuerdan?... Antes de nada, explíquenos a los profanos qué son los materiales con memoria de forma...

No todos los materiales pueden ‘recordar’ su estado anterior, sólo algunos muy específicos. Éstos son los que sufren una transformación de estructura cristalina (la transformación martensítica) que permite recuperar la forma inicial, después de haber sido deformados severamente, por el simple procedimiento de calentarlos unos pocos grados centígrados. Si se enfría de nuevo, el material conserva la forma anterior a la deformación. Esta es la ‘memoria simple’.

Algunos de ellos pueden ser ‘entrenados’ convenientemente para alternar cíclicamente entre dos ‘formas’: una de alta temperatura y otra de baja temperatura. Este es el efecto de ‘memoria doble’. El material más conocido con memoria de forma es la aleación de níquel y titanio denominada Nitinol.

Un caso especial, que es el que nos ocupa, se da en aquellas aleaciones que, además de presentar el efecto de memoria de forma, son ferromagnéticas. Estas aleaciones pueden presentar grandes deformaciones por efecto de un campo magnético aplicado. La deformación puede ser así provocada a distancia y es de una magnitud muy considerable, entre un 5 y un 10%. El efecto es paralelo al de la magnetostricción o a la piezoelectricidad, pero de un valor muy superior. En efecto, tanto los materiales piezoeléctricos como los magnetostrictivos pueden deformarse únicamente algunas partes por mil. Las aleaciones típicas con este efecto magnético de memoria de forma son las que contienen níquel, manganeso y galio.

¿Estamos hablando sólo de metales y sus aleaciones?

No, aparte de algunas aleaciones metálicas como las mencionadas, hay polímeros con esta propiedad, y cada vez se encuentran nuevas composiciones metálicas y poliméricas que presentan el efecto. En principio, los metales puros, a temperaturas cercanas al ambiente, no tienen memoria de forma. Tienen sus transiciones a temperaturas muy alejadas de las normales y, de alguna manera, todas las aplicaciones suceden a temperatura ambiente o muy cercana a la ambiente. Cualquier cosa que ocurra a temperaturas muy altas, o muy bajas, realmente tiene poca aplicación.

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¿Qué relación se establece entre estos materiales y la nanotecnología?

En principio hay pocas aplicaciones actuales. En nuestro congreso se ha presentado un actuador submilimétrico, pero la mayor parte de los materiales con memoria de forma y los dispositivos a que dan lugar se utilizan en tamaños ‘macro’ es decir de milímetros o incluso centímetros. Sin embargo todo es susceptible de reducirse en tamaño. El tamaño último en que puede darse el fenómeno de memoria de forma está limitado por el tamaño cristalino de las fases con diferente estructura. Éstas pueden guardar toda su potencialidad hasta tamaños muy pequeños, de unos 20 nanómetros, por lo que sería posible diseñar y construir dispositivos micro o nanométricos, con las técnicas habitualmente utilizadas en estos campos, fotolitografía, ‘ion beam milling’, etc.

Se prevé que la reducción de tamaño añada ventajas a los dispositivos basados en materiales con memoria de forma, pues se incrementa la rapidez de actuación, la eficiencia energética y otras características. Para ello sin embargo es necesario poder preparar los materiales en forma de película delgada con las mismas propiedades que en tamaños macroscópicos, lo que está requiriendo un gran esfuerzo de poner a punto una serie de tecnologías especialmente adaptadas a estos materiales y que hoy en día ya son muy normales en microelectrónica.

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Bilbao sucedió a Calcuta en la celebración del II Congreso Internacional de Materiales con Memoria de Forma.

¿Cuáles son las principales aplicaciones industriales de estos materiales? ¿qué pueden aportar a los procesos productivos?

Las aplicaciones son incontables y algunas de ellas están ya en el mercado. Las más llamativas se refieren a la biomedicina, aeroespacial, transporte e incluso seguridad y defensa, por lo que se refiere a los materiales con memoria de forma en general. Los materiales ferromagnéticos con memoria de forma están aún poco desarrollados y, aunque se prevén múltiples aplicaciones, hay pocos suministradores del material y menos aún de dispositivos para hacer una valoración. Baste citar que la única empresa a nivel mundial que fabrica algún dispositivo basado en estos materiales es la finlandesa Adaptamat, que montó un stand de exhibición en el ICFSMA recientemente celebrado en la Universidad del País Vasco.

En lo que concierne a las tecnologías de la producción no soy consciente de ninguna aplicación concreta. Creo que su ámbito está más en los productos ‘inteligentes’ y por tanto en el sector servicios.

En general, ¿cuál es el grado de conocimiento que se tiene de ellos en el ámbito industrial?

Existen diversos productos comercializados con materiales con memoria de forma, como ‘stents’ para abrir arterias, que se deforman cuando son introducidos en el cuerpo con un leve calentamiento a 39 ó 40 °C, agrandándose. Incluso hay antenas aeroespaciales que iban plegadas en el satélite y luego se desplegaban en el espacio o sistemas de agarre en materiales que tienen mucha dificultad de soldarse, de manera que la deformación al calentar hacen que se aprieten. También hay aplicaciones en ‘brackets’ de ortodoncia, que permiten que el esfuerzo que realizan sea constante a pesar de lo que se puedan deformar, sin aflojarse y sin necesidad de tensarlos.

En cambio, aún casi no hay nada disponible en el campo de los materiales ferromagnéticos con memoria de forma. En este campo concreto creo que somos realmente pioneros y nuestros estudios pueden colocar a la industria española y a la vasca en particular en una posición de ventaja respecto a las aplicaciones de estos materiales.

Usted forma parte del consorcio Actimat, que desarrolla un proyecto de investigación sobre estos materiales. ¿Cuáles son los principales avances tecnológicos conseguidos en este marco?

El proyecto Actimat se dedica en general a ‘Materiales, Dispositivos y Estructuras Inteligentes’ y cubre aspectos muy amplios, tanto en materiales, donde se dedica a todos los llamados multifuncionales o ‘activos’ (de aquí el nombre del Consorcio y del proyecto) como a los dispositivos que pueden fabricarse con ellos y a las estructuras y sistemas que los integran. En un amplio sentido se puede decir que se están estudiando directamente y asimilando estudios de otros países en procesos que permiten adaptar muchos sistemas a los cambios externos, tanto naturales como producidos artificialmente, de manera automática, controlada e 'inteligente'. El consorcio incluye tres departamentos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), la Escuela Politécnica de la Universidad de Mondragón, los centros tecnológicos del País Vasco: Gaiker, Robotiker, Inasmet, Ikerlan y Cidetec, y el departamento de I+D de la empresa de plásticos para automoción Maier, S.Coop. El proyecto está financiado por la Consejería de Industria del Gobierno Vasco.

Los avances del Consorcio se centran en todos los campos mencionados, así se han desarrollado materiales piezoeléctricos, magnetostrictivos, con memoria de forma, magnetorreológicos, electroópticos, electrocrómicos, etc., sistemas de control inteligente, sensorización, procesos autorregulados como los de soldadura o climatización inteligente, etc.

Hay poca representación empresarial en los componentes de Actimat. ¿A qué cree que se debe?

La industria vasca metalúrgica es muy tradicional y muy centrada en aceros. No tiene mucha experiencia en materiales magnéticos y las pocas empresas que tenían alguna línea en este campo, acabaron cerrándola. En las cosas muy innovadoras les cuesta entrar.
El proyecto Actimat es el que ha permitido incorporar a la Comunidad Autónoma Vasca en la investigación de estos materiales, aunando grupos que trabajaban en metalurgia, polímeros y magnetismo en un solo proyecto

¿En qué punto se halla España en cuanto a investigación científica sobre el tema respecto a otros países?

Concretando el tema de los materiales ferromagnéticos con memoria de forma, España está bastante adelantada en estudios básicos que se llevan a cabo principalmente en la Universidad. Sin embargo es pronto para evaluar el impacto industrial pues las investigaciones aplicadas van mucho más despacio. En este momento el mayor esfuerzo se está realizando en Alemania, donde un programa prioritario que incluye centros de investigación básica y aplicada, reúne 26 laboratorios y cuenta con una financiación especial extraordinaria durante 6 años. En España hay grupos de investigación en Cataluña, Islas Baleares, Navarra, País Vasco, Aragón y Asturias, pero nada comparable al esfuerzo alemán, pues no hay aún suficiente coordinación ni financiación. El proyecto Actimat es el que ha permitido incorporar a la Comunidad Autónoma Vasca a la investigación de estos materiales, aunando grupos que trabajaban en metalurgia, polímeros y magnetismo en un solo proyecto.

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Estos materiales en los ‘brackets’ de ortodoncia permiten que el esfuerzo que realizan sea constante a pesar de lo que se puedan deformar, sin aflojarse y sin necesidad de tensarlos. Foto: Almac-Tornos.

Justo la semana pasada se celebró el II Congreso Internacional de Materiales Ferromagnéticos con Memoria de Forma. Háganos una valoración del evento.

En principio esta es la segunda edición del Congreso (ICFSMA) pero en realidad consolida este tipo de congresos, después de la primera edición en Calcuta que tuvo un carácter más bien exploratorio, ya que reunió fundamentalmente investigadores de la India y una docena de ponentes internacionales invitados. En la presente edición se ha establecido ya una cadena ininterrumpida de eventos específicos de esta clase. Baste mencionar que ya se ha fijado el siguiente en Dresde (Alemania) en 2011 y hay candidaturas para celebrar sucesivas reuniones, cada dos años, en Lecco (Italia) o Boise (Idaho, EE UU).

En cuanto al evento en sí ha reunido a cerca de 90 especialistas de alto nivel de todo el mundo. Estaban representados 17 países diferentes, entre los que cabe citar USA, Japón, China, India, Israel, etc. Pero la mayor parte de los delegados son europeos, como es natural al celebrarse en Europa y haber un alto grado de desarrollo de estos materiales en nuestros países vecinos. También hemos contado con tres stands donde se exhibían productos o desarrollos aplicados. Entre ellos el de la única empresa mundial que comercializa un actuador basado en FSMA, la finlandesa Adaptamat, un stand del Forschungszentrum Karlsruhe y, cómo no, del consorcio Actimat.

Las sesiones han sido muy concurridas y el nivel de participación y discusión altísimo. Una selección de los trabajos presentados se recogerá en una publicación de la renombrada editorial científica: 'Trans Tech Publications' y más concretamente en su serie denominada 'Materials Science Forum'. Hemos recibido ya un buen número de mensajes destacando la satisfacción de los asistentes tanto por el nivel científico como por la organización del Congreso.

Este resultado ha sido sin duda debido a los excelentes contactos del profesor Volodymyr Chernenko, recientemente incorporado a nuestro grupo como investigador 'Ikerbasque', financiado por el departamento de Educación del Gobierno Vasco, con quien comparto la dirección del comité organizador del congreso, y de la larga experiencia organizadora de nuestro Grupo de Magnetismo y Materiales Magnéticos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU, que ya llevado a cabo cuatro congresos internacionales de diversas materias, todas ellas relacionadas con el magnetismo, en los últimos 10 años.

“Actimat ha tomado como prioritaria la transferencia del conocimiento adquirido en todos los campos de materiales, dispositivos y estructuras inteligentes, a la industria del País Vasco”

¿Se ha avanzado mucho en este campo desde el último congreso, celebrado en Calcuta en 2007?

Aunque dos años son en realidad poco tiempo se ha puesto de manifiesto un gran desarrollo en los temas de preparación de materiales en forma de película delgada. Este tema tiene una importancia decisiva para la posible elaboración de micro o nanodispositivos en un futuro próximo. Otro tema con mucho desarrollo es el de los efectos magnetocalóricos que acompañan la transformación martensítica y que pueden tener importancia en el desarrollo de dispositivos para la energía, como bombas de calor o refrigerantes sin partes móviles.

Para finalizar, ¿cuáles son los objetivos del proyecto de Actimat a corto plazo?

La etapa actual del proyecto se extiende desde 2008 hasta finales de 2010. En este período se habían tomado como prioritaria la transferencia del conocimiento adquirido en todos los campos de materiales, dispositivos y estructuras inteligentes, a la industria del País Vasco. La transferencia se pretende llevar principalmente desde los centros tecnológicos, más cercanos a la industria, mientras la Universidad explora nuevas posibilidades. Entre las novedades mencionaría los materiales magnetoeléctricos híbridos: una combinación de materiales magnetostrictivos (o ferromagnéticos con memoria de forma) y piezoeléctricos, que generan un campo eléctrico (voltaje) en respuesta a un campo magnético y viceversa.

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“Existen diversos productos comercializados con materiales con memoria de forma, como ‘stents’ para abrir arterias, que se deforman cuando son introducidos en el cuerpo con un leve calentamiento a 39 ó 40 °C, agrandándose”. Foto: Frank C. Müller.

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