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Los materiales inteligentes son materiales que presentan un efecto observable en una de sus facetas cuando son estimulados desde otra. Este documento explora diferentes tipos de materiales inteligentes, como los termocromáticos, electroactivos, magnéticos, fotosensibles y cromosensibles, y sus aplicaciones en robótica, dispositivos médicos y tecnología. Además, se presentan ejemplos de materiales con memoria de forma, electroreológicos y magnetoreológicos, y se discuten sus propiedades y mecanismos.
Tipo: Apuntes
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Los materiales inteligentes son aquellos que muestran un efecto observable en una de sus facetas cuando son estimulados desde otra. De esta forma quedan cubiertas todas las facetas, incluida la mecánica, la eléctrica, la química, la óptica, la térmica, etc. Algunos ejemplos de materiales inteligentes que pueden añadir nuevas capacidades a la robótica y a los organismos artificiales son los materiales termocromáticos que muestran un cambio de color cuando se calientan y los polímeros electroactivos que generan una prestación mecánica cuando reciben una estimulación eléctrica. Los materiales inteligentes pueden ser duros, como los piezomateriales; flexibles, como las aleaciones con memoria de forma; blandos, como los elastómeros dieléctricos; y fluidos, como los ferrofluidos y los fluidos electrorreológicos. De esta forma si necesitamos un robot que pueda detectar los productos químicos lo podemos construir utilizando un material inteligente que cambie de propiedades eléctricas cuando esté expuesto al producto químico en cuestión y si necesitamos un dispositivo robótico que se pueda implantar en una persona, que además se degrade hasta desaparecer cuando haya cumplido su función, podemos crearlo con polímeros biodegradables, biocompatibles y de disolución selectiva. RASGOS COMUNES QUE DEBEN PRESENTAR LOS MATERIALES INTELIGENTES
Aleaciones con Memoria de Forma Cerámicas con Memoria de Forma Polímeros con Memoria de Forma Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma En el caso de las aleaciones metálicas, el efecto de memoria de forma se basa en la transición que se produce entre dos fases sólidas, una de baja temperatura o martensítica y otra de alta temperatura o austenítica. El material se deforma en la fase martensítica y recupera de forma reversible sus dimensiones originales mediante el calentamiento por encima de una temperatura crítica de transición. Por otro lado, los polímeros con memoria de forma son materiales poliméricos con la capacidad de recordar su forma original. Este efecto está relacionado con la combinación de la estructura y la morfología del polímero junto con el proceso y tecnología de programación de inclusión de la forma empleado. Es decir es necesario un entrenamiento del material para que recuerde una forma determinada. El primer paso es procesar el polímero para grabar su forma permanente y seguidamente el polímero es deformado fijándose, de ese modo, la forma temporal. El mecanismo del efecto de memoria de forma en los polímeros puede producirse, no sólo por temperatura, sino también por luz o por reacciones químicas. A parte de los metales y los polímeros, las cerámicas completan las tres grandes familias de materiales sólidos. Una definición general de cerámica podría ser la siguiente: materiales inorgánicos, no metálicos, que se producen habitualmente empleando arcillas y otros minerales naturales o procesados químicamente MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS Estos materiales experimentan cambios en sus propiedades físicas ante la presencia o aplicación de un campo eléctrico o magnético. Entre estos materiales se encuentran los fluidos “inteligentes”. Estos fluidos presentan la capacidad de cambiar su viscosidad aparente en presencia de un estímulo externo. Se dividen en dos categorías dependiendo de la naturaleza del estímulo al que responden mediante un cambio en sus propiedades reológicas FLUIDOS ELECTROREOLÓGICOS Y FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS Efecto electro reológico se llama al cambio reversible de las propiedades reológicas de un fluido debido a la aplicación de un campo eléctrico. Estos fluidos suelen clasificarse en dos tipos, uno correspondiente a fluidos formados porpartículas dispersas y por otro lado los fluidos homogéneos. En el primer caso, el más común, se acepta que el origen de la respuesta
emisión de luz puede durar desde minutos hasta horas. La fuente de excitación más efectiva es la radiación UV. Aplicaciones de los materiales Inteligentes Los materiales que acabamos de conocer están ofreciendo infinidad de aplicaciones para amplificar las posibilidades de todo tipo de tecnologías, aquí vamos a describir algunas de ellas. Baterías : cuando en Futurizable dedicamos un artículo específico a las baterías destacamos la importancia del desarrollo de nuevos materiales para amplificar la eficiencia de las baterías. Impresión 3D : no cabe duda de que la impresión 3D está sirviendo como un dinamizador de todo lo que tiene que ver con el desarrollo de nuevos materiales, sobre todo por haber inventado una nueva forma de fabricación y haber hecho accesible los procesos de fabricación a muchas más personas, lo cual está llevando a que cada vez haya un mayor interés por disponer de nuevos materiales con propiedades específicas. Pantallas : el impresionante negocio que han logrado empresas como Apple y Samsung gracias a los smartphones, ha propiciado grandes avances en el desarrollo de pantallas, que cada vez tienen mayor tamaño y cuenta con mejoras importantes a nivel de resolución e interacción. Espacio : la carrera espacial se encuentra en su máximo apogeo tras la entrada de un buen número de empresas privadas a realizar actividades relacionadas con el espacio y con la reactivación de los programas espaciales por parte de la NASA y otras agencias del espacio a nivel gubernamental naturales que se puedan encontrar en el planeta en el que se vaya a utilizar y por lo tanto realizar la fabricación in situ, además de permitir su reciclado para la fabricación de otros productos en base a este material. Para conocer con más detalle la actividad que realiza la NASA en el ámbito de materiales podemos consultar la web de su departamento de Smart Materials. Energía : aunque la generación de energías limpias sigue siendo insuficiente para remediar el gran problema al que nos enfrentamos con la contaminación y el calentamiento global, podemos considerar que la situación está mejorando considerablemente gracias a multitud de avances que se están produciendo en materia de investigación para la generación de energías renovables, principalmente para la obtención de la energía del Sol. Construcción : la mejora de los materiales utilizados en construcción, como pueden ser el cemento, el hormigón y el asfalto, son el objetivo de multitud de investigaciones encaminadas a ofrecer mejoras a nivel de resistencia, eficiencia y reducción del coste, entre otras cosas. Sensores : el desarrollo de sensores para el gran campo que se está abriendo por medio de las tecnologías de IoT es una de las utilidades que ofrecerá las investigaciones que realizan en el proyecto Graphos, liderado por la empresa de especialidades químicas Cromogenia y que se propone el objetivo de lograr la incorporación de grafeno y nanoestructuras carbonosas en un gran abanico de matrices poliméricas, con lo que se espera conseguir su integración en diversos productos con funcionalidades avanzadas y propiedades físico-mecánicas mejoradas.
Robótica : gracias al desarrollo de todo tipo de nuevos materiales se está avanzando enormemente en el desarrollo de la robótica blanda, una nueva disciplina tecnológica que va a permitir un gran avance para que la robótica nos ofrezca mejores utilidades a las personas. Biónica : en la unión de la tecnología con la biología encontramos una de las palancas principales para el salto evolutivo que está realizando en estos momentos la humanidad, en busca de nuevos horizontes, tanto a nivel de amplificación de la vida como en lo que se refiere a la exploración del espacio. Transporte : la utilización de nuevos materiales y materiales en el mundo del transporte puede generar importantes beneficios a nivel de reducción de la contaminación, reducción del coste de los combustibles y mejoras en generar en la eficiencia de los vehículos. Ropa : el mundo de la moda y la ropa tiene aún mucho que mejorar gracias al desarrollo de nuevos materiales, como los que utilizan investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, liderados por Wen Wang, para crear nuevas prendas destinadas al entrenamiento deportivo, que tienen la características de ser transpirables al contar con solapas de ventilación que se abren y cierran en respuesta al calor y el sudor.