Cinco materiales que cambiarán el mundo

Los nanomateriales bidimensionales, los luminiscentes, los puntos cuánticos, los cristales fotónicos y los metamateriales marcarán el futuro

Una de las aplicaciones del grafeno será en la fabricación de baterías para los coches eléctricos
Una de las aplicaciones del grafeno será en la fabricación de baterías para los coches eléctricos

El grafeno será, sin duda, el material estrella del siglo XXI. Se encuadra dentro de los nanomateriales bidimensionales y sus aplicaciones resultan de lo más variopintas. Puede utilizarse para fabricar circuitos electrónicos, recubrimientos para proteger superficies... Y uno de sus usos más interesantes, gracias a la relación que ofrece entre su área de dimensión y su volumen, es en la fabricación de baterías para los coches eléctricos, desarrollo que está a punto de despegar.

Ordenadores flexibles, mesas capaces de recargar la batería de los smartphones, asfalto de las carreteras que permitan generar energía según ruedan los coches... Las posibilidades que ofrece el grafeno son muy numerosas. Se trata de un material que sólo tiene átomos de carbono. Y si hay una infinidad de formas de fabricación, muchas de ellas no son excesivamente costosas. No obstante, y pese a resultar extraordinariamente novedoso, tras el descubrimiento del grafeno se han encontrado muchos otros materiales parecidos, entre los que destacan el disulfuro de molibdeno y el fósforo negro.

Francisco Guinea, investigador del Instituto Imdea Nanociencia, revela que existen muchos desarrollos relacionados con las células fotoeléctricas, y sensores de productos que flotan en el aire, o disueltos en el agua, de muy poca concentración, para estimar el nivel de contaminación, por ejemplo. Guinea no duda de la masificación del uso del grafeno en el futuro, dado que la imponente investigación que en este momento se está llevando a cabo dará lugar a muchos productos innovadores.

Mejores diagnósticos

Dentro de la categoría de los materiales fotoluminiscentes, los denominados fosforescentes encuentran aplicación como elementos de señalización en interiores o incluso como elementos de señalización vial en carreteras, mientras que los fluorescentes pueden aplicarse en campos como la energía solar. En diferentes laboratorios ya se trabaja en una tecnología conocida como concentrador solar luminiscente, por la que unos vidrios o plásticos recubiertos con materiales luminiscentes atrapan la luz para, posteriormente, reemitirla y enviarla a los extremos del vidrio, donde celdas solares convertirán la radiación en electricidad. Así, las ventanas de nuestros edificios podrían convertirse en pequeñas centrales fotoeléctricas, capaces de captar la luz solar para, a posteriori, transformarla en electricidad.

Amador Menéndez, investigador del Instituto Tecnológico de Materiales de Asturias (ITMA), resalta la utilidad de los puntos cuánticos en medicina, como herramienta de diagnóstico. Y es que utilizando una mezcla de diferentes longitudes de onda, éstos pueden funcionar como marcadores luminiscentes y detectar simultáneamente distintos tipos de cáncer. Por otra parte, las pantallas de televisión también pueden incorporar puntos cuánticos como elementos emisores de luz, lo que ayudará a lograr colores más nítidos y un mayor contraste, tanto entre colores como entre blancos y negros, que actualmente no son 100% reales, sino oscurecimientos de la pantalla. En este sentido, los puntos cuánticos mejorarán la visualización de la televisión desde diferentes ángulos y permitirán una mayor velocidad de refresco, lo que se traduciría en vídeos de más calidad.

Una lámina de grafeno enrollada sobre sí misma da lugar a nanotubos de carbono, que son 100 veces más fuertes que el acero y entre seis y diez veces más ligeros, y encuentran aplicación como refuerzo estructural (raquetas, bicicletas), así como en la electrónica. De hecho, Menéndez recuerda que ya se han ensayado transistores –el corazón de los chips de nuestros ordenadores– de nanotubos de carbono.

Los cristales fotónicos supondrán un gran impulso a la nueva generación de ordenadores, que utilizarán la luz, y no los electrones, como elemento de procesamiento de la información. Además, permitirán el diseño de fibra óptica con características y funcionalidades mejoradas para la transmisión de datos mediante pulsos de luz.

Los metamateriales tienen propiedades electromagnéticas inusuales. Menéndez asegura que éstos encuentran aplicación en el sector de la defensa, por la posibilidad de ocultar objetos.

Principales aplicaciones

Mientras que los materiales luminiscentes ya están revolucionando el mundo de la iluminación y de la eficiencia energética y podrán suponer un gran impulso en campos como la energía solar fotovoltaica, al proporcionar dispositivos de más bajo coste y alta eficiencia, los puntos cuánticos pueden revolucionar la medicina preventiva, gracias a su capacidad de diagnóstico en los estadios iniciales de las enfermedades.

Y en cuanto a aplicaciones se refiere, Menéndez sostiene que los nanotubos de carbono y los fullerenos podrán ser claves para hacer realidad los vehículos impulsados por hidrógeno, además de significar todo un hito en los campos de la computación (diseño de chips más eficientes) y de la electrónica flexible. De igual modo, el investigador del ITMA augura que los cristales fotónicos podrían ser determinantes en las nuevas tecnologías de la comunicación, contribuyendo a un procesamiento y transmisión de la información más rápidos y eficientes. Finalmente, los metamateriales podrán resultar muy útiles en el campo de la óptica, proporcionando lentes con resolución más allá de lo convencional. Y es que hoy en día la capacidad de resolución de microscopios y telescopios tiene un límite, ya que existe un zoom máximo a partir del que no se ve con nitidez. Pero este tipo de materiales permiten superarlo y lograr «superlentes», con interesantes aplicaciones. Así, mientras que en medicina ofrece la posibilidad de apreciar los detalles íntimos de las células, lo que conlleva diagnósticos más certeros, en astronomía se podría acceder a los rincones más lejanos del espacio interestelar.

Si los materiales luminiscentes ya se emplean masivamente, en especial los electroluminiscentes, en la industria LED y OLED, los fullerenos forman parte de productos que incorporan electrónica flexible y los nanotubos de carbono de material deportivo. Pero para otras aplicaciones, como el almacenamiento de hidrógeno, se requiere una mejora de sus prestaciones y un abaratamiento de los costes.

En cambio, Menéndez recuerda que la aplicación de los puntos cuánticos en medicina está pendiente de test que aseguren que no tienen efectos secundarios no deseados, mientras que en pantallas de televisión ya empiezan a aparecer los primeros productos.

Tanto los cristales fotónicos como los metamateriales están todavía en un estadio de investigación básica. Y aunque aguardan un gran potencial, «los costes deberían abaratarse para poder hacerlos competitivos», apostilla el investigador del ITM.

Nanotecnología

Todos estos materiales son creados por el hombre. Si bien, hasta la fecha, la humanidad disponía de los materiales que le brindaba la naturaleza; ahora, por primera vez en la historia y gracias a la nanotecnología, pueden fabricarse materiales a la carta, con propiedades controladas y para fines específicos. «De igual forma que a partir de las piezas de un lego, ensamblándolas adecuadamente, podemos generar un edificio o un coche, a partir de átomos y moléculas convenientemente combinadas podemos llegar a nuevos materiales con fascinantes propiedades». Menéndez afirma que las posibilidades son inmensas. Y aludiendo a una cita del premio Nobel de Física, Horst Störmer, destaca que «la nanotecnología nos proporciona las herramientas para experimentar con la más vasta caja de juguetes: los átomos y las moléculas. A partir de ahí, la posibilidad de crear cosas nuevas parece ilimitada».