Baterías de ánodos de silicio a partir de nanomateriales; nanotubos de carbono reciclables; tejidos y órganos vivos creados en laboratorio… El impacto de los supermateriales en nuestras vida ya ha comenzado. La salud es el ámbito donde la evolución de la ciencia e ingeniería de materiales resulta más impactante.

¿Será posible fabricar nuevos órganos artificiales? ¿Serán posibles los implantes que, una vez colocados en nuestro cuerpo, se absorban y al mismo tiempo se regeneren con nuestro propio hueso? ¿Será posible personalizar cualquier implante al límite del diámetro de nuestras arterias? ¿Será posible replicar enfermedades en órganos artificiales para probar tratamientos antes experimentar en seres vivos? ¿Alcanzaremos el sueño de la eterna juventud?

La respuesta es sí. No solo es posible sino que pronto lo veremos.

La revolución de los implantes y los tejidos artificiales

El equipo del proyecto HUMANeye ha desarrollado y probado un implante corneal con memoria de forma. Está hecho con nitinol, una aleación de níquel-titanio que ya se utiliza en stents, alambres dentales, tornillos ortopédicos y otros suministros quirúrgicos. Los resultados de HUMANeye son una puerta abierta a solucionar enfermedades de la córnea, una de las principales causas de ceguera en todo el mundo.

Pero las puertas que se abren con los materiales con memoria de forma van mucho más allá. Se espera que el mercado de aleaciones con memoria de forma crezca a una tasa compuesta anual del 11.2 % de 2022 a 2029.

Un ejemplo innovador de este avance tecnológico se ha presentado en la Hannover Messe: el primer frigorífico del mundo que se enfría utilizando músculos artificiales hechos de nitinol.

Los implantes de nitinol ya se están fabricando en laboratorio con una forma personalizada según el paciente gracias a la impresión 3D. Estos implantes se autoexpanden una vez instalados y evitan posteriores tratamientos muchas veces agresivos después de la primera cirugía.

La impresión 4D de los materiales con memoria permite que la pieza fabricada evolucione con el tiempo tanto en forma como en composición. Este revolucionario proceso promete nuevas oportunidades en regeneración de tejidos y cirugías reconstructivas.

La bioimpresión combina células y biomateriales para crear tejidos y órganos vivos que pueden utilizarse para sustituir estructuras dañadas o envejecidas, así como para reemplazar modelos animales en ensayos farmacológicos o en la generación de modelos de enfermedades.

La creación de tejidos artificiales (como tendones bioinspirados) ya es una realidad.

Baterías con más memoria a partir de nanomateriales

Por fin, los nanomateriales llegarán a la industria con el desarrollo de nuevas baterías y nuevos materiales compuestos.

A partir de nanofibras de silicio, se pueden fabricar ánodos para baterias de Ion-Li con mucha más capacidad de almacenamiento que los ánodos de grafito que se emplean ahora (que además es un material crítico) y requiere muchos más ciclos de recarga.

Estos ánodos se construyen a partir de un producto que es como una hoja de papel y que es ya una realidad que se está fabricando en planta piloto en la spin-off del Instituto IMDEA Materiales Floatech. Pero las innovaciónes en las baterías de Ion-Li, van más allá de los materiales que constituyen el ánodo y el cátodo. El empleo de nanopartículas permite evitar (o amainar) el riesgo de deflagración tanto de los electrolitos como de las carcasas.

Nanotubos de carbono reciclables

También se está avanzando en uno de los problemas considerados “endémicos” de los nanotubos de carbono: su reciclado.

Un trabajo recientemente publicado en la prestigiosa revista Carbon avanza la posibilidad de reciclarlos siguiendo el mismo esquema de una construcción de LEGOⓇ.

Los nanotubos reciclados podrían volver a su estado inicial, como bloques de construcción. Podrían disolverse y convertirse en soluciones cristalinas líquidas, que luego podrían ser rehilados en una nueva fibra de alta calidad.

Estos avances, como también el desarrollo de polímeros “más” reciclables, abren el futuro a nuevos materiales compuestos que contribuirán, entre otras cosas, a propiciar un sector aeronáutico más sostenible.

Los nanomateriales, además, ayudarán a desarrollar sensores que nos permitan monitorizar cualquier daño estructural que pueda originarse durante el vuelo. Con todo esto, tendremos aviones más sostenibles y mucho más seguros.

Materiales ductiles, resistentes y multifuncionales a la vez

La irrupción en 2004 de las aleaciones de alta entropía abrió muchos caminos de desarrollo, poniendo toda la tabla periódica en manos de los que diseñamos aleaciones.

Hoy estamos muy cerca de utilizar estas aleaciones para producir mejoras en ámbitos tan dispares como la alta temperatura necesaria en un motor de aviación y desarrollar propiedades magnéticas y/o eléctricas especiales, fundamentales en el desarrollo de las nuevas maneras de generar energía.

Las aleaciones de alta entropía nos permiten desarrollar materiales impensables hace no mucho tiempo. Nos acercamos al sueño de lo que no hace mucho resultaba una contradicción: materiales resistentes y dúctiles a la vez.

Más allá de la propia sustancia: los metamateriales

Cuando ya no se puede llegar más lejos modificando la composición química de un material, podemos jugar a dar a sus componentes básicos disposiciones que le confieran propiedades excepcionales. Y así surgen los metamateriales.

Podemos modificar la superficie de un material creando estructuras que obliguen a las ondas a moverse, desviarse, reflejarse… Así podemos conseguir materiales invisibles (si es la luz la que manipulamos), o indetectables al radar, o que aíslen totalmente del ruido. Manipulando la arquitectura interna del material, podemos obtener propiedades mecánicas imprevisibles. Son, auténticamente, materiales que rozan la magia.

La IA lo acelera todo

Todo el desarrollo de materiales en estos momentos está apoyado en tres pilares básicos: las nuevas técnicas de fabricación (con especial relevancia de la impresión 3D), la irrupción de la IA, y que todo desarrollo tiene que estar alineado con la sostenibilidad y el uso eficiente de materias primas.

El número de estudios que aplican inteligencia artificial a la ciencia de los materiales ha crecido a un ritmo de 1,67 veces por año durante la última década.. Pero la sostenibilidad hace que ahora las cosas no sean tan simples.

Para cualquier desarrollo hay que contemplar qué metales tenemos disponibles en el planeta. Además, debemos considerar muchos más criterios de diseño que antes no se contemplaban. Por ejemplo, si pensábamos en resistencia, esta era a costa de la ductilidad, y no se pensaba en que un mismo material pudiera tener múltiples funciones.

Con todo esto, en este siglo XXI el número de combinaciones de variables es inmenso. Y es ahí donde entra la IA para hacerlo todo, o casi todo, posible.

La ciencia de los materiales se está expandiendo como la espuma y su impacto está ya transformándonos. Año nuevo, desafíos nuevos.

José Manuel Torralba, Catedrático de la Universidad Carlos III de Madrid, IMDEA MATERIALES

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.