Pocos reconocen las vastas implicaciones de la ciencia de los materiales.
Para construir el teléfono inteligente de hoy en la década de 1980, costaría alrededor de $ 110 millones, requeriría casi 200 kilovatios de energía (en comparación con 2kW por año hoy), y el dispositivo tendría 14 metros de altura , según el CTO de Applied Materials, Omkaram Nalamasu.
Ese es el poder de los avances de materiales. La ciencia de los materiales ha democratizado los teléfonos inteligentes, llevando la tecnología a los bolsillos de más de 3.500 millones de personas. Pero mucho más allá de los dispositivos y los circuitos, la ciencia de los materiales se encuentra en el centro de innumerables avances en energía, ciudades futuras, tránsito y medicina. Y a la vanguardia de Covid-19, los científicos de materiales están avanzando con la investigación de biomateriales, nanotecnología y otros materiales para acelerar una solución.
Como su nombre lo indica, la ciencia de los materiales es la rama dedicada al descubrimiento y desarrollo de nuevos materiales. Es una consecuencia de la física y la química, utilizando la tabla periódica como su tienda de comestibles y las leyes de la física como su libro de cocina.
Y hoy, estamos en medio de una revolución de la ciencia de los materiales. En este artículo, desempacaremos los avances de materiales más importantes que están ocurriendo ahora.
Vamos a sumergirnos.
La iniciativa del genoma de los materiales
En junio de 2011 en la Universidad Carnegie Mellon, el presidente Obama anunció la Iniciativa sobre el genoma de los materiales , un esfuerzo nacional para utilizar métodos de código abierto y IA para duplicar el ritmo de la innovación en la ciencia de los materiales. Obama sintió que esta aceleración era crítica para la competitividad global de los Estados Unidos, y tenía la clave para resolver desafíos significativos en energía limpia, seguridad nacional y bienestar humano. Y funcionó.
Al usar la IA para mapear los cientos de millones de diferentes combinaciones posibles de elementos (hidrógeno, boro, litio, carbono, etc.), la iniciativa creó una enorme base de datos que permite a los científicos jugar una especie de improvisación de jazz con la tabla periódica.
Este nuevo mapa del mundo físico permite a los científicos combinar elementos más rápido que nunca y les ayuda a crear todo tipo de elementos novedosos. Y una serie de nuevas herramientas de fabricación amplifica aún más este proceso, lo que nos permite trabajar a escalas y tamaños completamente nuevos, incluida la escala atómica, donde ahora estamos construyendo materiales de un átomo a la vez.
Los avances más importantes de la ciencia de los materiales
Estas herramientas han ayudado a crear los metamateriales utilizados en compuestos de fibra de carbono para vehículos más livianos, aleaciones avanzadas para motores a reacción más duraderos y biomateriales para reemplazar las articulaciones humanas. También estamos viendo avances en el almacenamiento de energía y la computación cuántica. En robótica, los nuevos materiales nos ayudan a crear los músculos artificiales necesarios para los robots humanoides y blandos: piense en Westworld en su mundo.
Analicemos algunos de los avances más importantes de la ciencia de los materiales de la última década.
(1) baterías de iones de litio
La batería de iones de litio, que hoy alimenta todo, desde nuestros teléfonos inteligentes hasta nuestros autos autónomos, se propuso por primera vez en la década de 1970. No pudo llegar al mercado hasta la década de 1990, y no comenzó a alcanzar la madurez hasta los últimos años.
Una tecnología exponencial, estas baterías han estado bajando de precio durante tres décadas, cayendo un 90 por ciento entre 1990 y 2010, y un 80 por ciento desde entonces. Al mismo tiempo, han visto un aumento de once veces en la capacidad.
Pero producir suficientes para satisfacer la demanda ha sido un problema continuo. Tesla ha asumido el desafío: una de las Gigafactories de la compañía en Nevada produce 20 gigavatios de almacenamiento de energía por año, marcando la primera vez que vemos baterías de iones de litio producidas a escala.
Musk predice que 100 Gigafactories podrían almacenar las necesidades energéticas de todo el mundo. Otras compañías también se están moviendo rápidamente para integrar esta tecnología: Renault está construyendo un almacenamiento de energía para el hogar basado en sus baterías Zoe, los paquetes de baterías 500 i3 de BMW se están integrando en la red nacional de energía del Reino Unido, y Toyota, Nissan y Audi han anunciado proyecto de piloto.
Las baterías de iones de litio continuarán desempeñando un papel importante en el almacenamiento de energía renovable, ayudando a reducir los precios de la energía solar y eólica para competir con los del carbón y la gasolina.
(2) grafeno
Derivado del mismo grafito que se encuentra en los lápices cotidianos, el grafeno es una lámina de carbono de un solo átomo de espesor. Es casi ingrávido, pero 200 veces más fuerte que el acero. Conduciendo electricidad y disipando calor más rápido que cualquier otra sustancia conocida, este supermaterial tiene aplicaciones transformadoras .
El grafeno permite sensores, transistores de alto rendimiento e incluso gel que ayuda a las neuronas a comunicarse en la médula espinal. Muchas pantallas de dispositivos flexibles, sistemas de administración de medicamentos, impresoras 3D, paneles solares y telas protectoras usan grafeno .
A medida que disminuyen los costos de fabricación, este material tiene el poder de acelerar los avances de todo tipo.
(3) Perovskita
En este momento, la "eficiencia de conversión" del panel solar promedio, una medida de cuánta luz solar capturada se puede convertir en electricidad, ronda el 16 por ciento, a un costo de aproximadamente $ 3 por vatio.
La perovskita, un cristal sensible a la luz y uno de nuestros nuevos materiales más nuevos, tiene el potencial de obtener hasta un 66 por ciento, lo que duplicaría lo que los paneles de silicio pueden reunir.
Los ingredientes de la perovskita están ampliamente disponibles y son económicos de combinar. ¿A qué se suman todos estos factores? Energía solar asequible para todos.
Materiales del nanomundo
La nanotecnología es el límite exterior de la ciencia de los materiales, el punto donde la manipulación de la materia se vuelve nano-pequeña : un millón de veces más pequeña que una hormiga, 8,000 veces más pequeña que un glóbulo rojo y 2,5 veces más pequeña que una hebra de ADN.
Los nanobots son máquinas que se pueden dirigir para producir más de sí mismos o más de lo que quieras. Y debido a que esto tiene lugar a escala atómica, estos nanobots pueden separar cualquier tipo de material (suelo, agua, aire) átomo por átomo, y usar estas materias primas ahora para construir casi cualquier cosa.
El progreso ha sido sorprendentemente rápido en el mundo nano, con un grupo de nano productos ahora en el mercado. ¿Nunca quieres volver a doblar la ropa? Los aditivos a nanoescala de los tejidos los ayudan a resistir las arrugas y las manchas. No hacer ventanas? ¡No es un problema! Las nanopelículas hacen que las ventanas sean autolimpiantes, antirreflectantes y capaces de conducir electricidad. ¿Quieres agregar energía solar a tu casa? Tenemos nano-recubrimientos que capturan la energía del sol.
Los nanomateriales fabrican automóviles más ligeros, aviones, bates de béisbol, cascos, bicicletas, equipaje, herramientas eléctricas, la lista continúa. Los investigadores de Harvard construyeron una impresora 3D a nanoescala capaz de producir baterías en miniatura de menos de un milímetro de ancho. Y si no te gustan esas gafas de realidad virtual voluminosas, los investigadores ahora están usando nanotecnología para crear lentes de contacto inteligentes con una resolución seis veces mayor que la de los teléfonos inteligentes actuales.
Y aún más viene. En este momento, en medicina, los nanobots de administración de medicamentos están demostrando ser especialmente útiles en la lucha contra el cáncer. La informática es una historia extraña, ya que un bioingeniero en Harvard recientemente almacenó 700 terabytes de datos en un solo gramo de ADN.
En el frente ambiental, los científicos pueden tomar dióxido de carbono de la atmósfera y convertirlo en nanofibras de carbono súper fuertes para su uso en la fabricación. Si podemos hacer esto a escala, con energía solar, un sistema de una décima parte del tamaño del desierto del Sahara podría reducir el CO2 en la atmósfera a niveles preindustriales en aproximadamente una década.
Las aplicaciones son infinitas. Y viene rápido. Durante la próxima década, el impacto de lo muy, muy pequeño está a punto de hacerse muy, muy grande.
Pensamientos finales
Con la ayuda de la inteligencia artificial y la computación cuántica durante la próxima década, el descubrimiento de nuevos materiales se acelerará exponencialmente.
Y con estos nuevos descubrimientos, los materiales personalizados se volverán comunes. Los futuros implantes de rodilla se personalizarán para satisfacer las necesidades exactas de cada cuerpo, tanto en términos de estructura como de composición.
Aunque son invisibles a simple vista, los materiales a nanoescala se integrarán en nuestra vida cotidiana, mejorando a la perfección la medicina, la energía, los teléfonos inteligentes y más.
En última instancia, el camino hacia la desmonetización y la democratización de las tecnologías avanzadas comienza con el rediseño de los materiales: el habilitador invisible y el catalizador. Nuestro futuro depende de los materiales que creamos.
(Nota: ¡Este artículo es un extracto de El futuro es más rápido de lo que piensas, mi nuevo libro, recién lanzado el 28 de enero! ¡Para obtener tu propia copia, haz clic aquí !)
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Este artículo apareció originalmente en diamandis.com . Lee el artículo original aquí .
Crédito de imagen: Anand Kumar de Pixabay