Materiales inteligentes

Un puente podría tener una grieta y ésta se sellaría al instante, si se lo construyera con materiales inteligentes, sería posible que se reforzara a sí mismo.

Los materiales inteligentes tienen la capacidad de detectar un estímulo externo -cambio de temperatura, humedad, luz, esfuerzo, entre otros- y como respuesta modificar sus propiedades, estructura o funciones.

Para comprenderlo mejor, pensemos en el cuerpo humano que tiene la capacidad de regenerar los tejidos dañados de la dermis y epidermis a causa de una herida. O también pensemos en el cambio de la coloración de la piel cuando es expuesta al calor o al sol. Con una capacidad de reacción similar se ha dotado a ciertos materiales. Así es, se ha otorgado a los materiales características de los sistemas biológicos. Por este motivo se los llama “inteligentes”.

Con estos materiales están trabajando actualmente los científicos para mejorar diversos aspectos de la vida cotidiana. Por ejemplo: para reducir la contaminación sonora se han creado materiales compuestos, multifuncionales que están equipados con sensores que se activan cuando el material comienza a vibrar. Cuando sucede esto, la señal es procesada por un regulador para absorber las vibraciones.

Básicamente, se pueden distinguir tres clases de materiales inteligentes: los materiales con memoria de forma, los electro y magneto-activos, y los foto y cromo-activos.

Los materiales inteligentes también reciben el nombre de multifuncionales.

Materiales con memoria de forma: son capaces de recordar una forma previamente establecida. Vuelven a la forma original luego de ser sometidos a serias transformaciones. Esta tecnología se aplica en diversos campos; por ejemplo, en traumatología se fabrican grapas para unir fracturas que se introducen a ellas deformadas, cuando estas grapas adquieren la temperatura del cuerpo, recuperan la forma original obligando a los huesos fracturados a recolocarse. También esta tecnología está pensada para cuestiones más cotidianas; por ejemplo, para las monturas de gafas, las cuales si se deformaran volverían a la forma original tras entrar en contacto con agua caliente.

Materiales electro y magneto-activos: cambian sus propiedades físicas cuando se someten a un campo eléctrico y magnético, respectivamente. Son principalmente utilizados en el desarrollo de sensores. Dentro de este grupo se incluyen, también, los materiales piezoeléctricos, los materiales electro y magnetoestrictivos, y los materiales electro y magnetoreológicos.

Materiales foto y cromo-activos: experimentan cambios de diferente tipo cuando se someten a la acción de la luz y pueden producir luz bajo ciertos estímulos. Entre los materiales fotoactivos que emiten luz, sin que se produzca calor, destacan los electroluminiscentes, los fluorescentes y los fosforescentes.

Electroluminiscentes: producen luz brillante de diferentes colores, sin emisión de calor, cuando son estimulados electrónicamente.

Fluorescentes: producen luz visible como resultado de su activación con luz UV.

Fosforescentes: algunas sustancias pueden reflejar luz durante un largo período de tiempo, después de cesar su exposición a una fuente luminosa. Puede absorber luz para emitir en la oscuridad. Esta emisión de luz puede durar desde minutos hasta horas. La fuente de excitación más efectiva es la radiación UV.

NITINOL: ALEACIÓN CON MEMORIA DE FORMA

El Nitinol, mezcla de Níquel y Titanio, es una de las aleaciones más conocidas con memoria de forma. Con él se tejen alambres súper elásticos que pueden utilizarse con distintos fines. Uno de los usos más conocidos es para la fabricación de stents que se utilizan en cardiología para reforzar los vasos sanguíneos. El stent, que es un tubo cilíndrico, se introduce comprimido en el vaso sanguíneo y se posiciona en la región necesaria. Luego se calienta ya que ante este estímulo, recupera la forma cilíndrica y así refuerza las paredes del vaso sanguíneo.

SISTEMA DE LIBERACIÓN DE MEDICINA

Los materiales inteligentes prometen brindar soluciones en distintos aspectos de la vida cotidiana. Y en uno de los que se está trabajando es en la suministración de medicamentos. Muchos tratamientos requieren que la medicina sea administrada al paciente en forma regular y en una determinada cantidad. Uno de los riesgos de estos tratamientos estrictos es que el paciente olvide una de las píldoras. Por eso, teniendo en cuenta esta situación, se están desarrollando sistemas que sean capaces de liberar una amplia variedad de medicinas de forma controlada y que pueda ser implantado en el cuerpo humano. A los sistemas que se están empleando se les llama MEMS; consiste en un substrato que contiene múltiples depósitos para las medicinas. Cada uno de ellos está tapado con una membrana conductiva controlada por un microprocesador capaz de regular la liberación, cantidad y tiempo de la disolución de la membrana.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Si bien existen diversas clases de materiales inteligentes, se pueden distinguir ciertas características generales:

• Todos presentan, de un modo u otro, sensores de reconocimiento.
• Miden la intensidad del estímulo para reaccionar en función de éste.
• Presentan mecanismos de control y selección de la respuesta con el objetivo de controlar la reacción.
• Responden con rapidez ante el estímulo.
• Al cesar el estímulo, estos materiales vuelven a su estado original rápidamente.

La ciencia de los materiales investiga la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Es un área multidisciplinaria que estudia las propiedades físicas y químicas de los materiales y cómo adaptarlos a usos específicos.

La ingeniería de los materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Entre los objetivos de esta rama de la ingeniería se puede mencionar: realizar el diseño del producto, la selección, extracción, desarrollo y procesado de los materiales, el control de producción y de calidad; entre otros relacionados con los procesos de fabricación.

La existencia de los materiales inteligentes se debe principalmente al desarrollo de tecnologías que permiten cada vez más entender el mundo subatómico, es decir, la composición atómica de los materiales. Y todo comenzó con el microscopio.

SISTEMAS COMPUESTOS INTELIGENTES

Estos sistemas están formados por la combinación de dos o más materiales. Los materiales que se combinan (metales, cerámicos, polímeros, etc.) se unen de cierta manera y en proporciones específicas para formar un nuevo material con propiedades especiales, tales como tenacidad, alta resistencia, etc. El gran beneficio es que las debilidades de uno de ellos se compensan con las fortalezas del otro, así se obtiene un material con un desempeño global optimizado.

Estos sistemas compuestos inteligentes son sensibles a ciertos estímulos como cambio de temperatura, de campo magnético, etc. Gracias a sensores y actuadores responden a esos estímulos con cambios de forma, posición, etc.

Un sistema inteligente posee sensores, actuadores y controladores.

SENSORES: su función es detectar una señal. Las señales de entrada que detectan pueden ser campos eléctricos, térmicos o magnéticos que se transforman en una señal de salida mecánica.

Un ejemplo: La fibra óptica puede detectar cambios de temperatura, deformación, campos eléctricos y magnéticos o presión.

ACTUADORES: son dispositivos capaces de generar una fuerza. Emplean como señales de entrada campos eléctricos, térmicos o magnéticos que mediante las propiedades del material activo son transformadas en una señal de salida mecánica como un campo de desplazamientos, deformaciones o esfuerzos, con la consiguiente generación de una fuerza que puede ser empleada en realizar un cierto trabajo.

Un ejemplo: Los elastómeros electroestrictivos son materiales que trabajan como músculo en ciertos robots.

Las aleaciones con memoria de forma y los cerámicos piezoeléctricos son algunos de los materiales que se utilizan comúnmente como actuadores.

CONTROLADORES: en los sistemas compuestos inteligentes, los controladores se utilizan para acoplar funcionalmente a los sensores y actuadores. Los controladores basados en microprocesadores reciben la señal de los sensores, y luego envían una señal correspondiente a los actuadores para producir la respuesta del material.

COMPUESTO CON MATERIALES CON MEMORIA DE FORMA

La industria aeronáutica daría un gran paso si se produjeran alerones con materiales con memoria de forma. Probablemente alguna vez hayas observado que los alerones de la mayoría de los aviones son piezas flexibles; en el borde trasero se disponen flaps que suben y bajan, según la ocasión. La función de los flaps es modificar la forma aerodinámica del ala para proporcionar una mayor sustentación al avión cuando vuela en régimen de velocidad lento y a baja altura, tanto en el despegue como en el aterrizaje. Para que esta función se desarrolle satisfactoriamente se emplean sistemas hidráulicos complejos, conformados por bombas y tuberías, que podrían reemplazarse con materiales con memoria de forma para eliminar la necesidad de las articulaciones y del complejo sistema hidráulico. Estos alerones sólo requerirían de un calentamiento mediante una corriente eléctrica para deformarse.