Els materials són intel·ligents?
2005/02/01 Aranberri, Ibon - Kimikan doktorea | Manchado, Juan Carlos | Garay, Dani | Matellanes, Lina | Dios, J. Ramón Iturria: Elhuyar aldizkaria
Els materials intel·ligents –smart o intelligent en anglès– es coneixen també com a materials actius o multifuncionals. Aquests materials són capaços de respondre a estímuls físics i químics procedents del mitjà. Però no de qualsevol manera. La resposta ha de ser reversible i controlada. La fusta, per exemple, s'infla si es mulla, però quan s'asseca no es torna a la superfície. Segons aquesta classificació, la fusta no seria un material intel·ligent, encara que respongui a un estímul extern.
Els materials intel·ligents són útils per al desenvolupament de nous sensors i actuadors, capaços de donar una resposta a la quinada ‘sentida’ i enviar informació d'un costat a un altre de l'estructura, i aquests sensors, al seu torn, serveixen per a desenvolupar noves estructures, edificis, ponts, etc., analitzant en tot moment les seves característiques. Ja estan en ús.
Diversos tipus
Els materials intel·ligents poden ser orgànics o inorgànics, metàl·lics, ceràmics o polimèrics. En conseqüència, l'ús també pot ser il·limitat. No obstant això, entre tots els materials intel·ligents, els polímers són els més utilitzats actualment. De fet, a més de ser lleugers, durs i barats, poden sintetitzar-se i transformar-se amb relativa facilitat, dirigint-se amb facilitat a les aplicacions desitjades.
Alguns materials intel·ligents tenen la capacitat de ‘recordar’ la seva forma. Es denominen amb memòria de forma. Sota un camp elèctric o per efecte de la temperatura es deformen i en anul·lar l'estímul físic tornen a la situació anterior. Els més coneguts són els SMA (Shape Memory Alloys o aliatges amb memòria de forma), però en els últims anys també estan investigant els SMP (Shape Memory Polymers, polímers amb memòria de forma). Els SMP ja han estat comercialitzats als Estats Units i el Japó, però no a Europa.
Uns altres, amb estímuls similars, modifiquen les seves propietats físiques. Per exemple, els electroactivos i els magnetoactivos varien segons el camp elèctric o magnètic circumdant. Varis, piezoelèctrics, són capaços de transformar l'energia elèctrica de la zona en energia mecànica i viceversa.
Els sòlids i fluids electroreológicos són també sensibles als camps elèctrics i magnètics. Són dispersions formades per partícules d'uns 5-10 micròmetres. En absència de zones, les dispersions són totalment fluids, però sota la zona les partícules s'alineen i el líquid adquireix les propietats dels sòlids.
Posteriorment, una vegada desapareguda la zona, les partícules es ‘afluixen’ i el fluid recupera les seves característiques intrínseques, en aquest cas la fluïdesa.
Existeixen en el mercat, per exemple, cotxes amb amortidors intel·ligents fabricats amb fluids magnetoreológicos. I gràcies a ells, no és necessari buscar punts d'equilibri entre conduir amb comoditat i seguretat. De fet, avui dia els amortidors més segurs són també els més durs. En conseqüència, els fabricants d'automòbils es comporten amb la seguretat mínima legalment establerta per a augmentar el confort dels vehicles.
No obstant això, amb els fluids magnetoreológicos aquesta necessitat d'equilibri desapareix i es poden construir cotxes de gran seguretat i confort. En general, l'automoció és un àmbit molt apropiat per als materials intel·ligents, ja que l'electrònica i els sensors han anat guanyant força.
Els polímers conductors són també importants materials electroactivos. Fins fa poc una de les principals característiques dels polímers era el seu caràcter aïllant, però no fa molt es va trobar la possibilitat que diversos polímers poguessin ser conductors. El poliacetileno, el polipirrol i la polianilina són els més coneguts i estudiats. I és possible que en el futur molts cables metàl·lics puguin ser substituïts per polímers conductors.
De moment, es poden trobar de manera dispersa en els telèfons mòbils i en les pantalles planes de color de les noves televisions. Fabricats en materials electroluminiscentes, presenten els següents avantatges: són lleugers, no s'escalfen i són potents emissors de llum.
En qualsevol cas, es tracta d'un potent camp de recerca en el qual els investigadors van descobrir la conductivitat dels polímers, premi Nobel rebut en 2000.
També hi ha conductors que no són conductors però que responen a raigs de llum. Aquests materials es consideren fotoactivos i poden sofrir variacions de diversos tipus. Destaquen els materials fosforescents i fluorescents.
Tots dos són capaços d'emetre raigs de llum. Els materials fosforescents emeten de nou la llum/energia rebuda tan aviat com reben els raigs i l'emissor és apagat (moltes agulles dels rellotges, per exemple, reben llum de dia i s'il·luminen de nit). Els fluorescents són blancs en la llum normal del dia, però si reben llum ultraviolada emeten simultàniament llum fluorescent potent. Els materials electroluminiscentes també es converteixen en potents emissors de llum després de rebre un corrent elèctric.
Finalment es troben els anomenats cromoactivos. Són capaços de canviar de color si suporten un corrent elèctric –eletrocrómica-, una radiació ultraviolada –fotocrómica- o un canvi de temperatura –els termocrómicos–. Lògicament, una vegada esgotada l'energia rebuda, el material recuperaria novament el seu color original.
Per exemple, els materials que canvien de color amb la temperatura serien de gran ajuda en la vida diària, especialment des del punt de vista de la seguretat. L'elaboració de paelles, cafeteres o gots amb materials termocrómicos permetria detectar fàcilment la seva temperatura i reduir considerablement tant les cremades com els accidents. Quant als nens, tant per biberó com per bany, poden ser molt interessants.
En l'àmbit dels envasos i embalatges també s'utilitzen etiquetes intel·ligents per a millorar la qualitat dels productes. Aquestes etiquetes garanteixen la qualitat del producte i proporcionen informació detallada dels processos de producció i distribució.
D'altra banda, la temperatura de molts productes pot determinar-se també en funció del color de l'etiqueta. A Anglaterra, per exemple, l'etiqueta de la cervesa Newscastle té una estrella blava. L'etiqueta s'enfosqueix o aclareix en funció de la temperatura, la qual cosa permet al client saber si la cervesa està prou fregeixi abans de prendre l'ampolla.
Evidentment, els materials intel·ligents ja s'han utilitzat en aplicacions de gran èxit. S'han desenvolupat nous sistemes i productes, però sobretot s'ha aconseguit reduir el pes i la complexitat dels dispositius ja utilitzats. I és que cal tenir en compte que amb els materials intel·ligents no es vol fer totalment nous productes, sinó que es tracta de fer més bonics, barats, fiables i, en definitiva, més còmodes molts dels productes que hi ha en el mercat.
Per a això, el treball dels grups de recerca universitaris i dels centres tecnològics serà determinant en els pròxims anys. La recerca bàsica dels equips universitaris ens ajudarà a comprendre millor aquests materials. Els centres tecnològics, per part seva, hauran de treballar en les aplicacions d'aquests materials per a oferir nous i millors productes a la societat.
D'aquesta manera, passarem de l'era dels materials ‘passius’ a la dels materials ‘actius’, materials que saben ‘respondre’ i qui sap el que vindrà en el futur. En les jornades sobre materials intel·ligents organitzades per GAIKER, el professor Jan Van Humbeeck va anunciar que, a més de materials intel·ligents o lluminosos, potser també coneixerem als ‘savis’.
Materials intel·ligents en la CAPV En el centre tecnològic GAIKER treballem amb polímers, plàstics i composites. D'una banda, s'estan barrejant els polímers conductors amb el polipropilè (PP) i el poliestirè (PS) d'ús comú en automoció. Els polímers conductors que actualment es poden trobar en el mercat presenten unes característiques mecàniques relativament escasses, amb l'objectiu de generar plàstics amb millors prestacions. A més, s'estan estudiant materials magnetoreológicos i electroreológicos. Estem desenvolupant suspensions amb partícules i olis diferents, amb l'objectiu d'obtenir suspensions com les existents en el mercat. Per a això, a més de la viscositat dels fluids a emprar, és necessari controlar la quantitat, el pes i les forces entre les partícules. A més, formem part d'un projecte sobre sòlids magnetoreológicos finançats per la Unió Europea. Treballem amb elastòmers, un tipus de polímer. Incorporem micropartículas de ferro als elastòmers i, posteriorment, en establir un camp magnètic, mesurem la resistència mecànica que aquests materials generen. L'objectiu és aconseguir un potent amortidor per als cotxes i de moment els resultats són esperançadors. A més, juntament amb el Laboratori de Química Macromolecular de Leioa, treballem amb polímers piezoelétricos i amb memòries de forma, sintetitzant-los i investigant la seva transformació. Sovint, no obstant això, els nous polímers poden ser sintetitzats inicialment en quantitats molt petites i, desgraciadament, triguen molt a comercialitzar-se. D'altra banda, és necessari trobar empreses interessades en aquestes noves aplicacions i tecnologies. De fet, encara que aquestes tecnologies aporten valor afegit als productes, moltes vegades les petites empreses no volen entrar en aquesta mena de qüestions. En la Comunitat Autònoma del País Basc, els equips que treballem amb materials intel·ligents hem constituït el consorci ACTIMAT: MTC, CIDETEC, ROBOTIKER, INASMET, IKERLAN i els centres tecnològics GAIKER; Mondragon Unibertsitatea; i el Laboratori de Química Macromolecular de la UPV, el Grup de Magnetisme i Materials Magnètics i el Grup de Metal·lúrgia Física (tots dos de Leioa). El grup està liderat pel centre tecnològic GAIKER des de l'any 2000 i està subvencionat pel Departament d'Indústria, Comerç i Turisme del Govern Basc a través del programa ETORTEK. |
Estructures intel·ligentsEls materials intel·ligents també s'utilitzen per al disseny i construcció d'estructures intel·ligents. En aquests sistemes s'utilitza la fibra òptica per a traslladar informació d'un costat a un altre. Les fibres òptiques són materials d'alta sensibilitat que a més poden ser utilitzats com a sensors. Són capaços de detectar canvis de temperatura, forces diferents, deformacions, canvis de tensió, etc. i de transportar informació. Les estructures intel·ligents són sistemes complexos amb sensors i actuadors. Són capaços d'explicar l'estat del propi sistema (temperatura, deformació, corrosió...) i de modificar alguns paràmetres del propi material (color, forma, duresa...). En conseqüència, són capaces de respondre perfectament a la missió per a la qual han estat dissenyats. |
