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Cinco materiales que podrían cambiar el mundo

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Cinco materiales que podrían cambiar el mundo
« en: Febrero 19, 2015, 09:42:57 am »
Cinco materiales que podrían cambiar el mundo

"La historia de los materiales es una historia de errores", dice Marcos Miodownik , especialista en  materiales en la Universidad College de Londres, quien inició su propia fascinación con materiales en el momento en que fue apuñalado en la espalda con una navaja mientras deambulando en la escuela un día.

La observación es la clave. A través de los siglos, los científicos han sido más propensos a tropezar con el próximo material durante un experimento fallido a crearlo desde cero. La tradición continúa hoy: más de un material de punta para revolucionar el mundo, surgen a través de la casualidad, si no desatinos directos.

Pero el descubrimiento casual de materiales útiles no podría continuar durante mucho más tiempo. Los científicos están ahora recurriendo a las computadoras para diseñar materiales y resolver sus propiedades antes de ir a un laboratorio o taller. Algunos de los más nuevos materiales que los científicos están consiguiendo existen sólo en teoría. El objetivo ahora es hacer que sea una realidad.

Los materiales aquí son tan nuevos que sus aplicaciones finales son todavía provisionales - o ni siquiera pueden ser adivinadas. Pero cada uno tiene el potencial de ser transformadora.



El grafeno


Las travesuras nocturnas de un viernes que llevaron a la invención del grafeno se han convertido en parte de la leyenda científica . Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester estaban jugando con cinta adhesiva y un trozo de grafito cuando descubrieron que podían hacer láminas de carbono de un átomo de espesor.

Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores recibieron el Premio Nobel de Física. Como ya apuntó entonces Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas.



¿Qué es el Grafeno?

El carbono es uno de los elementos químicos más importantes en la naturaleza. Se encuentra en todos los seres vivos y, según se distribuyan sus átomos, puede formar sustancias con distintas características.  A partir del carbono se consigue el grafeno. Este material surge cuando pequeñísimas partículas de carbono se agrupan de forma muy densa en láminas de dos dimensiones muy finas (tienen el tamaño de un átomo), y en celdas hexagonales. Para que te hagas una idea, su estructura es similar a la que resulta de dibujar un panal de abejas en un folio. ¿Por qué en un folio? Porque es una superficie plana, de dos dimensiones, como el grafeno.

El grafeno se obtiene a partir de una sustancia abundante en la naturaleza, el grafito. Ésta, forma parte de nuestra vida cotidiana, ya que se emplea para fabricar muy variados objetos, desde la mina de los lápices hasta algunos ladrillos.

Pese a que el grafeno se conoce desde la década de 1930, fue abandonado por considerarlo demasiado inestable. No fue hasta muchos años después, en 2004, cuando los científicos de origen ruso Novoselov y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente. Este descubrimiento no fue baladí, pues gracias a él obtuvieron el Premio Nobel en 2010.



Utilidad del Grafeno

Para poder hacernos una idea de en cuántos campos distintos puede aplicarse el grafeno, es necesario echar un vistazo a nuestro alrededor y ver todo lo que nos rodea. Ordenadores, coches, teléfonos móviles y equipos de música son, por mencionar sólo algunos de ellos, cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podría llegar a aplicar.

Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes.

Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar.

No hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales, de diversos materiales. O incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades.

Por todo esto, no es de extrañar que se diga que su utilidad es prácticamente ilimitada y que las barreras a su aplicación únicamente son las de la imaginación humana.


¿Cómo es el material del Grafeno?

El grafeno es un material que combina una gran cantidad de propiedades que no se dan juntas en cualquier otro compuesto. ¿Qué significa esto? Que es capaz de mejorar por completo las condiciones de cualquier superficie donde se aplique.

Y es que es un material muy duro, resistente, flexible y muy ligero; lo que permite moldearlo según las necesidades de cada caso. Conduce muy bien tanto el calor como la electricidad; y permanece en condiciones muy estables cuando se le somete a grandes presiones.

Su futuro en terrenos como la medicina se presenta realmente prometedor. ¿Un ejemplo de en qué se podría usar? En las máquinas con las que se realizan las radiografías. Éstas funcionan mediante radiaciones ionizantes, unas formas de energía que hacen que los materiales que se encuentran a su alrededor se desgasten muy pronto. Pues bien, el grafeno ofrecería una duración casi infinita, por lo que la inversión que habría que realizar en la adquisición del material sería, a la larga, mucho menor.

Pero además, el grafeno es capaz de generar electricidad a través de la energía solar, lo que le convierte en un material muy prometedor en el campo de las energías limpias. Para que te hagas una idea de su potencial, si se construyeran con grafeno las placas solares, podrían generar varias veces más energía por hora que las actuales. ¿Será este material una de las herramientas necesarias para superar la crisis energética que previsiblemente se desatará cuando se agoten las reservas de petróleo?


¿Cómo se obtiene el Grafeno?

Llegados a este punto, seguramente te preguntarás por qué, si el grafeno tiene tantas cualidades y ofrece tantos beneficios, no se emplea para mejorar nuestra calidad de vida.

La respuesta es sencilla. Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor calidad posible. Con el método tradicional de obtención a base de deshojar el grafito con cinta adhesiva, se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mínima y resulta insuficiente para  su uso industrial.

Por otro lado, el empleo de otros métodos para su obtención enfocados en aumentar la cantidad producida no consiguen un producto con la calidad suficiente.

Actualmente, se comercializa el grafeno bajo dos formas: En lámina y en polvo. ¿En qué se diferencian?

• Grafeno en lámina: es de alta calidad y se emplea en campos como la electrónica, la informática o incluso la aeronáutica, donde se requiere un material muy resistente. Su producción es actualmente muy costosa.

• Grafeno en polvo: se usa en aquellos ámbitos que no requieren de un material de alta calidad. Su proceso de obtención es más barato y permite una mayor producción del producto, pero renunciando a parte de sus propiedades.

El siguiente gran reto en la historia de este mineral es la búsqueda de un método de obtención que supere esta barrera. Diversos equipos de científicos en todo el mundo dedican sus esfuerzos a este fin y aunque los resultados obtenidos son prometedores, aún queda camino por recorrer.


Las 10 Propiedades del Grafeno

El grafeno es un material con una enorme potencialidad. Si los científicos implicados en la investigación sobre este producto logran producirlo de una forma más eficiente y barata, en pocos años se convertirá en habitual en gran parte de los objetos de nuestra vida cotidiana.

A continuación, te explicamos las principales propiedades con las que cuenta el grafeno:


1. Dureza: Se puede definir la dureza de un material como la cantidad de energía que es capaz de absorber antes de romperse o deformarse. El en caso del grafeno su dureza se estima en aproximadamente unas 200 veces la del acero, casi similar a la del diamante. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgaste y que puede soportar grandes pesos. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería necesario establecer un peso sobre él de aproximadamente cuatro toneladas.


2. Elasticidad: Al igual que pasa con la dureza, el grafeno presenta una elevada elasticidad. Esto hace que se pueda aplicar en muy diferentes superficies, de las cuales aumentará también la durabilidad, ya que al ser elástico tendrá menos posibilidades de quebrarse.


3. Flexibilidad: Al tener una elevada elasticidad puede moldearse de diversas maneras, lo que aumenta enormemente los campos en los que se puede utilizar.


4. Conduce muy bien el calor: La conductividad térmica es una propiedad física que mide la capacidad de un cuerpo de conducir el calor, es decir, de permitir el paso del calor a través de él. Es elevada en los metales, pero muy baja en el resto de los materiales, por lo general. La excepción a esto es el grafeno.


5. Conduce muy bien la electricidad: Conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, material que habitualmente se utiliza como base de los cables. Por otra parte, necesita una menor cantidad de electricidad para transportar energía que la mayoría de los materiales empleados actualmente, como es el caso del silicio. ¿Qué significa esto? Que si en el futuro se aplicara, por ejemplo, en las baterías de los móviles o de los ordenadores portátiles, ésta duraría mucho más tiempo.


6. Transparente y ligero: Se trata de un material con estas características, lo que permitiría su utilización para crear pantallas mucho más ligeras. Si lo unimos a otras de sus propiedades ya mencionadas, como es el caso de la flexibilidad, una de sus aplicaciones sería la de la creación de pantallas plegables o enrollables.


7. Reacciona químicamente con otras sustancias: Esto le permite servir de base para la creación de materiales nuevos o introducir impurezas dentro de su estructura para modificar las propiedades originales del grafeno, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación.


8. Soporta bien la radiación ionizante:  El grafeno ofrece una gran resistencia a ser modificado por este tipo de radiación, por lo que se puede aplicar en ámbitos como el sanitario, en el que se utilizan aparatos que emiten radiaciones ionizantes, como es el caso de los sistemas de radioterapia, por ejemplo. En la actualidad, los materiales que se encuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se desgastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podría ahorrar con su construcción con grafeno.


9. Elevada densidad: El grafeno es un material muy denso. Tanto, que ni siquiera los átomos más pequeños conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Del mismo modo sí que permite el paso del agua, que se evapora a la misma velocidad que si estuviera en un recipiente abierto.


10. Efecto antibacteriano: Al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comprobó que las bacterias no crecen en él, lo que abre las posibilidades de su utilización en la industria alimentaria o en la biomedicina.

11. Es un material hidrófugo, por lo que repele el agua y la corrosión. Podrían crearse nuevos tipos de acero inoxidable.

12. El grafeno puede auto-repararse ¿Os imagináis una fachada que se vea afectada por las condiciones climáticas y que no necesite de mantenimiento?



13. Puede reaccionar con otras sustancias químicas, lo que abre la puerta a la creación de nuevas aplicaciones en diversos campos. Un ejemplo claro es la creación del “Aerogel de grafeno” un material utilizado principalmente como aislamiento térmico con unas propiedades asombrosas en eficiencia energética. Es el material más ligero del mundo, es capaz de posarse sobre una flor de un cerezo sin deformarla. Con solo 5mm de espesor cubriríamos los requerimientos de aislamiento térmico en los edificios, ahorrando una superficie utilizada considerable.


14. Gracias al grafeno, la luz es transformada en electricidad. Una de las más cercanas aplicaciones es la de paneles solares fotovoltaicos que sustituirían a las células de silicio como material. Imaginaos esas fachadas de edificios sostenibles con paneles solares del pasado pero con láminas de grosores nanométricas.

15. Ante tales cifras de resistencia y al hecho de que las capas de grafeno son transparentes, podrían crearse una nueva generación de vidrios de seguridad. De hecho, ya se ha conseguido fabricar, con un espesor de 2 átomos y de nuevo, descubierto de forma accidental.






Grafeno, el material de los sueños: entrevista al Nobel de Física 2010

El premio Nobel de Física 2010, Kostya Novoselov

Dr. Novoselov, quiero darle muchas gracias por responder a nuestras preguntas. Es muy raro tener la oportunidad de entrevistar a un premio Nobel. Y además a uno tan joven, con 36 años. Mientras, la mayoría de nosotros ni siquiera podemos  imaginar lo que se siente cuando alguien te dice: “Kostya, te han concedido el premio Nobel”. Por cierto, ¿qué se siente en un momento semejante?

Fue impresionante. Estaba muy impresionado y te das cuenta de que esto cambia tu papel para siempre. Y de que vas a tener que trabajar mucho para que no cambie también tu vida. Esto fue todo lo que se me ocurrió, que tenía que intentar que no cambiase mi vida.

¿Y lo consiguió?

Sí. De hecho, conseguí regresar a la normalidad y mi vida no es muy diferente ahora de como era antes.

Por cierto, ¿quién le dijo que le habían concedido el Nobel?

Me llamaron por teléfono. No estoy seguro de quién llamó exactamente, porque estaba verdaderamente impresionado. No lo recuerdo pero probablemente fue uno de los secretarios de la Fundación o el presidente de la Fundación.

Kostya, cuénteme el secreto: ¿cómo se gana un premio Nobel antes de los cuarenta?

No hay un secreto. La mejor receta, probablemente, me la dio un buen amigo y colega hace mucho tiempo: “si quieres ganar un premio Nobel, no pienses en ello”. Así que esa es una de las recetas: nunca pienses en ello y limítate a trabajar y divertirte con lo que haces.

A usted le han concedido el premio Nobel junto al Dr. Geim por realizar “experimentos revolucionarios sobre el material bidimensional grafeno”. ¿Qué es un grafeno?

Imagínate el material de tus sueños, el más fuerte, el más conductor, el más duradero… es increíble. El mejor camino a la teoría; eso es el grafeno. En la práctica es uno de los pocos tejidos bidimensionales que se pueden hacer con carbono y tiene todas estas propiedades fantásticas como conductividad, transparencia, fortaleza imperecedera…

¿Y qué hizo usted con este grafeno exactamente?

Estudiamos sus propiedades. Estudiamos principalmente sus propiedades electrónicas pero también algunas otras.

Sin embargo, originalmente usted estudiaba el electromagnetismo, ¿no?

He trabajado en varios campos distintos a lo largo de mi vida, así que cuando me lié con el grafeno no me supuso una gran diferencia. He trabajado en procesos magnéticos, superconductores, semiconductores… así que los grafenos sólo fueron otra cosa más.

Convénzame: ¿por qué debería invertir mi dinero en las investigaciones sobre el grafeno? ¿De qué manera va a cambiar nuestras vidas este nuevo nanomaterial?

Hay varias propiedades de este material que son únicas, mucho mejores que las de cualquier otro. Ya se puede pensar en sustituir todos los materiales existentes por grafenos, para conseguir mejores resultados en todas las aplicaciones avanzadas. Por ejemplo, a los materiales estructurales se les puede añadir unas fibras de carbono para hacerlos mucho más fuertes. O usarlo para las láminas conductoras de las pantallas táctiles: esa es otra área donde el grafeno puede resultar muy beneficioso. Pero las más importantes serán aquellas que no somos capaces de concebir todavía porque no teníamos los materiales adecuados. El grafeno es muy diferente de cualquier otro material, así que podemos ponernos a pensar en estas nuevas aplicaciones.


Kostya Novoselov (centro) con Mikhail Trunin (decano del FOPF-MFTI, izda.) y Yuri Samarskiy (rector del MFTI, dcha.).

De todas estas posibles aplicaciones, ¿cuál cree usted que se desarrollará primero?


Ya hay varias aplicaciones en las que se está utilizando. Puedes comprar grafeno en varias empresas de Rusia, Europa, Asia… por ejemplo, para microscopios electrónicos de transmisión. Aunque esto es una aplicación menor. Probablemente, la primera aplicación a gran escala será en las pantallas táctiles.

¿Qué aproximación le parece más prometedora para producir grafenos industrialmente a buen precio?

Ya hay técnicas para producirlos en grandes cantidades. Por ejemplo, mediante crecimiento por CVT [deposición de vapor químico asistida por agua]… se está produciendo en grandes cantidades para muchas aplicaciones.

Con la crisis energética actual, y la energía nuclear comprometida a raíz de los sucesos de Fukushima, ha aumentado el interés en las energías renovables. ¿Serviría el grafeno para desarrollar nuevas células solares mucho más eficientes y baratas que las actuales? ¿Podría sentar las bases de una revolución energética?

El grafeno es sólo una parte de las células solares del futuro. Hay otras muchas partes que deben desarrollarse también. Queda un camino muy, muy largo para que se desarrollen células solares significativamente más eficientes.

Algunas personas han expresado su preocupación por los posibles riesgos para la salud, y especialmente los riesgos para la salud laboral, de esta clase de nanomateriales. ¿Qué opina?


Se puede observar mi vida y ver la evolución de mi salud. Probablemente, soy un conejillo de indias en estos experimentos. Me estoy exponiendo a estos materiales en el laboratorio todos los días, con bastante intensidad, así que podéis experimentarlo conmigo si queréis.

Por cierto, he oído que quiere usted cambiar de campo porque ya ha pasado mucho tiempo en este…

Sí. Te vas ralentizando. Estoy pensando en hacer alguna otra cosa.

¿Como por ejemplo…?

Eso prefiero guardármelo.

Tenía que intentarlo. ;-) Dr. Novoselov, a menudo se considera a los ganadores del premio Nobel como “heraldos de la ciencia” de cara al mundo, a la sociedad. ¿Se siente cómodo en este papel?

Todos tenemos la oportunidad de educar al público en materia científica. Esta es una de las muchas posibilidades que se incrementan cuando ganas el premio Nobel, y también una responsabilidad. Por ejemplo, es una pena ver cómo la gente sobrerreacciona con este asunto de Fukushima. Por desgracia, la gente que gana el premio Nobel , aunque tenga mejores posibilidades de educar al público, no tiene necesariamente la capacidad para hacerlo.

En algunos ámbitos existe una percepción de que la creatividad se está perdiendo en la ciencia moderna por un exceso de rigidez en la práctica cotidiana. ¿Cómo se puede aumentar la creatividad en el entorno de la ciencia moderna? ¿Se puede enseñar creatividad a las personas?

No se puede enseñar la creatividad a las personas. Cuando las personas vienen al laboratorio, intentamos liberar sus mentes para que hagan cualquier cosa que deseen hacer, con los únicos límites de su naturaleza y su imaginación. Y no creo que falte creatividad en estos momentos. Creo que recientemente se han logrado algunos de los mejores resultados científicos. No me parece que haya un problema con ese tema.

He oído hablar de sus “experimentos de los viernes”. ¿Puede decirnos en qué consisten?

Hacemos cosas raras que queremos hacer, intentamos cosas que no son convencionales. Cosas que probablemente parezcan bastante extrañas al principio, pero que pueden terminar convirtiéndose en algo grande. Simplemente, tratamos de liberar la mente.

¿Qué es más importante en estos “experimentos de los viernes”: la creatividad o el conocimiento guiado por la experiencia?

Nunca me planteo qué es lo más importante. Simplemente hago lo que me resulta interesante a mí.

Vamos a ir un poco más lejos. ¿Qué caminos le parece que está tomando la ciencia? ¿Qué grandes avances espera en el futuro próximo?

Yo sólo soy capaz de predecir el pasado, no el futuro. Pero el futuro está ahí y siempre es capaz de superar nuestras predicciones más descabelladas. Hay un montón de cosas ahí fuera donde podemos encontrar nuevas realidades.

Kostya, como usted sabrá, hay gente que piensa que la ciencia y la tecnología están avanzando demasiado, demasiado rápido. Temen los posibles efectos adversos sobre la gente, el medio ambiente y la vida en general. ¿Le gustaría decir algo a estas personas?

No se puede detener el progreso. No se puede detener la ciencia porque es parte de nuestra naturaleza, de nuestra curiosidad. Necesitamos a la ciencia, pero tenemos que asegurarnos de estudiar su impacto adecuadamente antes de usarla. Y esto se puede hacer siempre mejorando la ciencia, haciendo mejor ciencia. Hacer menos ciencia resulta mucho más peligroso que hacer más ciencia.

Yo suelo comentar que cuando una sociedad deja de avanzar, no sólo se estanca, sino que de inmediato comienza a retroceder; y que esto es especialmente cierto para el progreso científico. ¿Está de acuerdo conmigo? :-D

A las personas nos encantan las cosas nuevas. Siempre nos obligamos a usar cosas nuevas, a pensar en cosas nuevas. Es absolutamente inevitable. Si se deja de utilizar la ciencia, estas cosas nuevas no serán científicas, y esto es mucho más peligroso que utilizar las nuevas respuestas científicas.

No quiero robarle más tiempo, doctor. Por cierto, ¿llegó a conocer al hamster Tisha? ;-)

Sí. Era un hamster bastante metomentodo.

Tengo entendido que nació usted en Nizhny Tagil, ¿no?

Sí, así es.

Nació en Nizhny Tagil y desde allí salió al mundo para estudiar el material de sus sueños y con ello ganar el premio Nobel. Me parece algo fabuloso.

Muchas gracias.

Muchas gracias a usted de nuevo, Kostya. Большое спасибо.






Spider silk (seda de araña)


Hace mucho tiempo, en la historia de la ciencia, hubo un momento en que los investigadores no hablan de la seda de araña como el material ideal para la fabricación de chalecos antibalas. La aplicación fue promocionada después de que los investigadores probaran la estructura molecular de la seda y de la que llegaron a comprender su fantástica fuerza y ​​flexibilidad.



"No se puede usar la seda de araña para hacer un chaleco a prueba de balas. Es demasiado extensible. Sería atrapar la bala, pero no antes de que la bala haya atravesado su cuerpo", dice Fritz Vollrath en el Grupo Seda Oxford . Las palabras de precaución no terminan allí. "¿Se puede utilizar como materia? Probablemente no. No tiene que ser recogido de una araña , y eso no es económicamente viable. "

Fritz Vollrath

Y sin embargo, los científicos siguen estando fascinados. Esto se debe a que es un material exquisito del cual aprender y, Vollrath dice, inspira a los investigadores a tomar mejores materiales en el futuro. La seda de araña está hecho de un biopolímero llamado un aquamelt, que se puede girar a la temperatura ambiente 1.000 veces más eficiente que los plásticos que necesitan ser calentado y enfriado. Mediante el control de la velocidad a la que se hace girar la seda, una araña puede controlar la rigidez o la flexibilidad de las fibras. El objetivo de los investigadores es hacer que otros materiales que imitan los trucos de seda de araña.

Las telarañas funcionan como un instrumento de múltiples cuerdas

El mecanismo es asombroso: un órgano sensorial en cada pata que pulsa y percibe las más leves vibraciones de los hilos de seda.

Así, las arañas utilizan sus telas como un delicado instrumento de cuerdas y saben interpretar su sonido.

Así lo revela un estudio, que descubrió que la seda es capaz de transmitir una amplia gama de frecuencias.

Y esas imperceptibles vibraciones les dicen a las dueñas de casa cuándo una presa quedó atrapada en la tela, si una pareja adecuada para aparearse se aproxima o si la red tejida necesita ser reparada.

"El sonido de la seda puede informarles sobre qué tipo de alimento está enredado en su tela y sobre las intenciones y la calidad de un posible compañero", explicó Beth Mortimer, de la Universidad de Oxford, en Reino Unido, investigadora principal del estudio que descubrió esta cualidad de las telarañas.

"Al pulsar las sedas como si fueran cuerdas de una guitarra y escuchar los 'ecos' la araña puede también evaluar la condición de su red".

"La mayoría de las arañas tienen una visión pobre y dependen casi exclusivamente de las vibraciones en la seda de sus telas para obtener información sensorial", dijo la experta.

¿Y cómo lo hacen? Gracias a unos precisos órganos sensoriales que tienen en las patas.



Balas sobre la seda

Para hacer uso de su sofisticado sistema, las arañas "afinan" su tela controlando y ajustando tanto las propiedades de la seda, como las tensiones y las interconexiones de los hilos.

El equipo de Mortimer, que incluye científicos de las universidades británicas de Oxford, Strathclyde y Sheffield, disparó balas y rayos láser a la seda de araña para estudiar sus vibraciones.

En su experimento, utilizaron cámaras de alta velocidad para filmar el impacto de esas balas en los hilos de telaraña, y el láser les sirvió para medir al mínimo detalle hasta las vibraciones más pequeñas.

"Estos hallazgos demuestran las propiedades espectaculares que muchas telarañas que pueden combinar una excepcional resistencia con la habilidad para transferir información delicada", dijo Fritz Vollrath, otro de los científicos involucrados en este trabajo.

"Estos son rasgos que serían muy útiles para la ingeniería ultraligera", señaló Vollrath.

Los investigadores esperan que sus hallazgos, publicados en la revista especializada Advanced Materials, inspiren nuevas tecnologías –como diminutos y ligeros sensores– además de revelar más sobre las asombrosas arañas.

"Las telarañas son bien conocidas por sus impresionantes propiedades mecánicas, pero las propiedades vibratorias han sido relativamente ignoradas y ahora descubrimos que también son una increíble herramienta de comunicación", expresó Chris Holland, de la Universidad de Sheffield.

"Las arañas continúan sorprendiéndonos más de lo que podemos imaginar".






Los metamateriales

Deben su existencia, en gran parte, a la enorme industria competitiva del microchip, que ha perfeccionado la fabricación a escala nanométrica. Los metamateriales son hechos con la misma tecnología, pero su diseño es tan preciso que los científicos pueden controlar cómo los electrones dentro de los materiales responden cuando son golpeados por la luz - ondas electromagnéticas u otros -. Esto hace que sea posible manipular la radiación como nunca antes.

Y sí, los metamateriales pueden - en cierta medida - doblar la luz alrededor de un objeto, lo que hace que el objeto sea invisible (como la capa invisible de Harry Potter). "Hay que estructurar el material en una escala de longitud que es corto en comparación con la longitud de onda que le interesa, por lo que para la luz visible que significa en la escala nano", dice Chris Phillips al departamento de física del Imperial College , donde gran parte del trabajo en dispositivos de camuflaje ha sido pionera.

Los materiales varían. Para el control de las ondas de radio, se puede utilizar cobre y fibra de vidrio. Para hacer metamateriales que doblan la luz infrarroja, se puede utilizar los semiconductores. Dispositivos de ocultamiento siguen siendo poco más que trucos, pero eso está cambiando. Los objetos pueden estar ocultos en algunas longitudes de onda y no en otros, o sólo en condiciones específicas, como con luz polarizada, o desde un ángulo particular. Es poco probable que un manto pueda completamente hacer desaparecer un objeto: incluso si un objeto es invisible a simple vista, existen aún herramientas como el radar e imágenes infrarrojas a la cuales se puede recurrir. "Como regla general, un objeto que es invisible a una longitud de onda serán visibles en otra. Usted puede hacer unacapa en una amplia gama de longitudes de onda, pero no todo el espectro electromagnético", dice Phillips.


Un metamaterial que podría cambiar la cantidad de componentes reciclados utilizados en computadoras, tabletas y televisores inteligentes.

"Es una tecnología que va a cambiar fundamentalmente la forma en que construimos equipos," dice el Dr. Mark Gostock, un gestor de transferencia de tecnología en ISIS Innovation de la Universidad de Oxford. "

Stevens el profesor de ingeniería  que ha dirigido el equipo que pretende desafiar el statu quo, desarrollando una tecnología que sustituye a la soldadura, pernos y el cableado de una computadora convencional con bloques de silicio pegados a un Velcro (como un Lego), metamateriales unidos pueden transmitir inalámbricamente o conducir tanto datos como energía. La ciencia ficción se convierte en realidad.

Chris Stevens dijo: "la industria dePCB (circuito impreso) en particular ya ha hecho una gran inversión en infraestructura de fabricación y no van a querer cambiar eso".


Smartcard demo

"Bien ahora podemos alcanzar 3,5 gigabits por segundo de tranferencia de datos y cientos de vatios de potencia, suficiente para recargar cualquier número de dispositivos móviles sin pérdida de eficiencia, pero los circuitos tienen la capacidad para aumentar el rendimiento y los límites no son muy conocidos," dice Stevens.

"Hemos visto el primer potencial de esta tecnología, porque la mayoría de las personas han estado mirando los metamateriales desde una perspectiva física, en términos de dispositivos de camuflaje u óptica, y otras aplicaciones potenciales como el uso de frecuencias de radio." dice Stevens.

Incrustando bobinas de cobre en una capa conductora del material que forma una especie de circuito cerrado "entonces se puede producir un chip individual sin piernas, sin pernos y que de ninguna manera puede ser dañado y que simplemente está pegados a la placa madre".

Como resultado, en lugar de "tirar en la PCB que podría durar 25 años si no fuera por la obsolescencia incorporada de seis meses a un año incrustada en el ciclo de vida del producto", los chips podrían ser simplemente pelados y reutilizados en un ordenador de gama baja, luego en una smart TV y al final de su vida, en una lavadora.

El trabajo de Stevens "muestra un potencial significativo para alterar el actual diseño, fabricación y uso de circuitos electrónicos en un amplio número de aplicaciones", dice Darren Cadman, investigador coordinator en Innovative Electronics Manufacturing Centre en la Universidad de Loughborough.

"Mediante la eliminación de soldadura se ofrece una novedosa solución a los problemas de fiabilidad. La eliminación de la necesidad de cables y alambres es obviamente un enorme beneficio con los costos crecientes del cobre y la multitud de dispositivos electrónicos en cada hogar. "Además la fabricación simple y rentable de los circuitos significa que tienen una excelente oportunidad de encontrar uso y adopción generalizada, dice Cadman.

Sin embargo, como Stevens, reconoce que " una mayor inversión será necesaria para asegurar que es lo suficientemente robusto como para sus usos previstos – robustos en cuanto a tarifas de datos, precisión de datos, la gama o la proximidad de dispositivos".

Warren East, Director Ejecutivo de brazo con sede en Cambridge, que diseña la arquitectura usada en los chips de alimentar a casi cualquier teléfono móvil en el mundo, está de acuerdo con Cadman que el trabajo de Stevens tiene un gran potencial, pero advierte que "a veces, ser verdaderamente revolucionario no es suficiente".

Cadman advierte que "mientras que muchas de las ideas en los laboratorios de investigación parecen ser innovadoras el reto siempre es meterlos en la producción económica".

Sin embargo, dice, "a veces es simple inercia que sostiene una idea detrás, y de repente aparecen".

Los transistores 3D son un buen ejemplo de algo lanzado recientemente con mucha fanfarria pero existen desde hace al menos 10 años.

"Asimismo, la gente de la industria debe interesada en el reciclaje", dice, pero por el momento "hay desincentivos comerciales para no hacerlo". Las empresas de silicio hacen su dinero mediante el suministro de chips y "quieren suministrar más de ellos. Si una cuarta parte fueron reciclada entonces significaría menos ganancias."

Power transfer demo

Stevens es lo suficientemente realista como para saber que el éxito de la tecnología depende de "la ganancia económica de los costos de manufactura y la motivación de los fabricantes para mejorar el reciclaje".

"El problema es que nadie está haciendo nada en el Reino Unido ya. Si teníamos nuestro propio Instituto de investigación al final de la calle donde yo podría entrar a tomar el té, entonces yo creo que el camino por delante sería diferente."

Gostock aunque es más alcista: "en realidad es un caso real de la Universidad de Oxford versus el resto del mundo – y no por primera vez".

Y con el interés de algunos de los grandes nombres de la electrónica y productos químicos de los Estados Unidos, Corea y la India, tal vez Oxford ganando otra vez.






Estaneno

El Estaneno es radical no sólo por sus propiedades, sino también por lo que representa. Olvídate de descubrimientos accidentales de exámenes de laboratorio salidos mal; Este material fue diseñado en una computadora, y su comportamiento extraordinario fué deducido de la teoría. Sólo ahora los investigadores están tratando de ver si entrega esas promesas en el mundo real.

La adición de átomos de flúor (amarillo) para una sola capa de átomos de estaño (gris) debe permitir un nuevo material predicho, Estaneno, para el flujo perfecto de electricidad a lo largo de sus bordes (azul y flechas rojas) a temperaturas de hasta 100 grados Celsius (212 Fahrenheit). (Yong Xu / Universidad de Tsinghua, Greg Stewart / SLAC)

Stanene fue creado – virtualmente, es decir – por Shoucheng Zhang en la Universidad de Stanford. Los científicos lo llaman un aislante topológico, pero el nombre no es tremendamente útil. El Estaneno es un aislante en el interior y un conductor en el exterior.

El Estaneno esta formado por una capa monomolecular de estaño y, de acuerdo a Shoucheng Zhang, sería capaz de conducir la electricidad con un 100% de eficiencia en los rangos de temperatura en los que funcionan los equipos electrónicos actualmente. Ademas agrega que añadiendo flúor a la ‘mezcla’ la temperatura óptima podría aumentar hasta 100 grados centígrados.

A este tipo de material se le denomina como “aislantes topológicos” y son estructuras del grosor de una molécula (como el grafeno) que conducen electricidad solo por sus bordes, no por el interior.

Los materiales conducen la electricidad cuando los electrones fluyen a través de ellos. Sin embargo, en la mayoría de los materiales, los electrones fluyen por las impurezas y otras características que dan origen a la resistencia. Esta resistencia genera calor, y así debe refrigerarse  la electrónica para detener la fusión. El Estaneno promete cambiar todo eso. La estructura del material permite que los electrones se disparen a lo largo de los canales sin ningún tipo de resistencia.

Las conexiones atómicamente delgadas que no se calientan lo permiten que los diseñadores la miniaturización  de la electrónica aún más. En última instancia, Zhang dice que el Estaneno podría reemplazar el silicio como material barato y abundante para hacer chips de computadoras.






Shrilk

¿Cómo llamar a un material hecho de cáscaras de camarón sobrantes y proteínas derivadas de seda? Javier Fernández y Don Ingber del Instituto Wyss en Harvard decidió llamarlo Shrilk.


El equipo de científicos descubrió que la quitina, un carbohidrato que se puede encontrar en los caparazones de crustáceos y las alas de algunos insectos, es el componente ideal para sustituir al plástico.

Cuando se mezcla con hidróxido de sodio, la quitina se convierte en quitosano, un polisacárido que se utiliza para la filtración del agua y para mejorar el crecimiento de las plantas. Asimismo, puede ayudar a combatir las infecciones causadas por hongos en las plantas.

Los investigadores decidieron combinar el quitosano con una proteína obtenida de la seda. A este nuevo producto se le ha llamado shrilk. Javier Fernández y Donald Ingber publicaron en el diario Macromolecular Materials and Engineering una breve descripción de los beneficios del shrilk.

"El quitosano es una sustancia fácil de conseguir y barata, además de que puede servir como un bioplástico y reemplazar a los plásticos convencionales en diversas aplicaciones industriales" declaró Ingber.  En sus comienzos, el shrilk tendía a encogerse, sin embargo Fernández, Ingber y su equipo lograron cambiar esto al añadir aserrín a la fórmula. 

Una de las mayores ventajas del shrilk es que su tiempo de descomposición es de tan sólo dos semanas y a su vez funciona como un estimulante para el crecimiento de las plantas.

Observa la fabricación del nuevo material en el siguiente video:



Don Ingber, director del Instituto Wyss, izquierda y Javier Fernandez han desarrollado un nuevo material llamado Shrilk. Fotografía: Jon Chase/Harvard University

Se pueden formar hojas fuertes, transparentes de shrilk que son biodegradables e incluso enriquecer el suelo como un fertilizante. Bob Cunningham, también en el Instituto Wyss, dice shrilk es una alternativa ecológica a los plásticos. Los componentes son aprobados por la FDA para su uso en el cuerpo, donde funcionarían como suturas o andamios para el crecimiento de nuevos tejidos que se disuelven cuando ya no son necesarios.