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Nuevos materiales para nuevas necesidades sociales

Nuevos materiales para nuevas necesidades sociales

Las nuevas necesidades sociales que surgen día a día obligan a la generación constante de nuevos y mejores materiales, mucho más especializados y multifuncionales, que deben caracterizarse por sus relevantes propiedades físicas o químicas. La influencia del método de preparación en las propiedades finales del material es uno de los campos de investigación, que abre un amplio abanico de posibilidades.

Plásticos conductores para pantallas protectoras de radiación en los ordenadores; ventanas inteligentes que pueden disminuir la luz solar; materiales semiconductores que posibilitan la miniaturización de los dispositivos con los que funcionan los teléfonos móviles o los códigos de barras; chips o circuitos integrados, presentes tanto en aparatos electrónicos de uso común como el lavavajillas o la lavadora como en los más sofisticados satélites de telecomunicaciones; materiales cerámicos capaces de soportar temperaturas altísimas sin descomponerse y que se utilizan en baterías recargables; materiales cerámicos biocompatibles con el organismo humano para implantes dentales y prótesis…  todos estos materiales y aplicaciones, y muchísimos más, son posibles gracias a las investigaciones químicas.

Por poner un ejemplo más. Una de las actuales líneas de investigación se centra en la búsqueda materiales compuestos que permitan aunar la flexibilidad y facilidad de fabricación de los plásticos con las propiedades semiconductoras del silicio, en vistas a la fabricación de pantallas de televisión de gran tamaño fácilmente enrollables.

El método de preparación influye en las propiedades

Todo cuerpo material, sean metales, aislantes, semiconductores, cerámicas, plásticos… está constituido por determinadas proporciones de ciertos elementos químicos. Lo que confiere finalmente sus propiedades al material son por una parte las características intrínsecas de los elementos que lo componen y su proporción dentro del material, y por otra, también influyen parámetros entre los que cabe citar la microestructura y la estructura resultantes.

A la hora de plantearse la preparación de nuevos materiales, es fundamental que los investigadores tengan un conocimiento claro y preciso de los mecanismos que originan las distintas propiedades en los materiales tradicionales. De ese modo podrán preparar materiales nuevos, que posean propiedades mejoradas o propiedades totalmente nuevas.

Una gran parte del trabajo científico que se lleva a cabo en la actualidad dentro del amplio campo denominado la ciencia de materiales está siendo enfocado hacia el desarrollo de nuevos métodos de síntesis. Los novedosos métodos de preparación de materiales han de permitir su diseño en base a la optimización de algunas de sus propiedades; esto puede conseguirse estudiando de manera exhaustiva el efecto que produce el método de preparación de un material sobre su microestructura, ya que tanto el tamaño como la forma de las partículas constitutivas de un material van a ser factores determinantes a la hora de conseguir nuevas propiedades.

Algunos estudios revelan que la estructura electrónica, la conductividad, la reactividad, la temperatura de fusión y las propiedades magnéticas o mecánicas de los materiales se modifican cuando sus partículas integrantes alcanzan tamaños inferiores a un cierto valor crítico, siendo la dependencia del comportamiento con el tamaño de partícula lo que permite el diseño de propiedades.

Baterías más potentes y ligeras para electrónica de consumo

Entre todas las baterías recargables que se han utilizado en el mercado de la electrónica han sido las de litio, junto quizá a las de hidruro metálico, las que han encontrado un mayor consenso en cuanto a su potencial y por ello han sido ampliamente investigadas. Las razones de consenso se fundamentan en que el litio es el metal más ligero que existe, lo que permite la generación de un gran potencial químico y la fabricación de baterías de gran capacidad con un mínimo peso.

Con todo, la comercialización de baterías recargables de litio no ha resultado nada fácil. La gran reactividad del litio metálico generaba problemas y además, aunque el electrolito líquido constitutivo de las baterías convencionales proporcionaba buenos contactos con los electrodos sólidos y altas conductividades iónicas, los electrodos se corroían en la reacción con el electrolito. Todos estos problemas se resolvieron en su día con la introducción de las baterías de ión-litio y el desarrollo de electrolitos plásticos menos reactivos que sus análogos líquidos, aunque no se pueden utilizar a temperaturas elevadas.

La búsqueda de baterías recargables que suministren más potencia, que sean más ligeras y estables, y que proporcionen mayor densidad de energía, constituye ya una necesidad urgente para el mercado de la electrónica de consumo.

Materiales cerámicos, baterías más potentes

En este contexto de búsqueda de mejoras en las características técnicas de las baterías secundarias de ión litio, el grupo de investigación de la Dra. Josefa Isasi Marín del Departamento de Química Inorgánica de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha preparado materiales cerámicos cristalinos del ión litio, en lo que constituye una de las mejores alternativas de uso como electrolitos sólidos en baterías de este tipo. La idoneidad estos los materiales se debe a la alta conductividad relativa que presenta el ión litio en este tipo de compuestos tanto a temperatura ambiente como a bajas temperaturas, y al excelente comportamiento de estos materiales como electrolitos sólidos a temperaturas elevadas, donde no funcionan ni los electrolitos líquidos ni los electrolitos basados en polímeros.

En concreto, el grupo de la Dra. Isasi está estudiando si el método de preparación afecta, y en qué forma, la microestructura de materiales que presentan un alto grado de estabilidad térmica, química o mecánica. Este tipo de materiales presentan un gran atractivo ya que en un futuro no muy lejano se prevé su utilización en la fabricación de electrodos, o como electrolitos sólidos en baterías de ión litio.

El avance de esta investigación puede posibilitar el desarrollo de nuevas celdas electroquímicas o la producción de baterías secundarias o recargables de ión litio,  más ligeras y que puedan utilizarse por ejemplo en teléfonos móviles o como fuentes alternativas de energía.

El progreso de la humanidad ha estado ligado desde sus orígenes al uso y desarrollo de materiales. La diferencia está en que antiguamente, el descubrimiento de un material capaz de solventar una necesidad concreta era fruto del azar, la suerte o la intuición; hoy en día en cambio, el estudio y la investigación posibilitan el diseño a medida de nuevos materiales en base a los diferentes elementos químicos de la tabla periódica.

Más información:

Rosa Mecha López
Oficina de Transferencia de Resultados de la Investigación (OTRI)
Universidad Complutense de Madrid
Área de Cultura Científica 
rmecha@rect.ucm.es
Tel. 91 3946448
www.ucm.es/info/otri/