Materiales inteligentes y multifuncionales para la sostenibilidad

Ciencia en materiales para mejorar nuestro mundo

La investigación e innovación en el ámbito de la ciencia de materiales constituye una de las vías para abordar muchos de los retos tecnológicos, económicos y ambientales a los que nos enfrentamos en la actualidad en numerosos sectores y aplicaciones. El desarrollo de materiales inteligentes y materiales con propiedades/funcionalidades mejoradas o adicionales, puede aportar soluciones para muchos de los desafíos industriales que existen hoy día.

Por esta razón, es uno de los campos de la I+D+i que se derivan como acciones para responder a las misiones actualmente definidas a nivel europeo, reflejándose directamente en las convocatorias de propuestas dentro del programa Horizonte Europa. En esta misma línea, los desarrollos impulsados desde las empresas de diversos sectores industriales, en particular el transporte, son también numerosos, evidenciando nuevamente el potencial y las oportunidades que brindan estos materiales.

Impulsando el desarrollo sostenible

La sostenibilidad implica la búsqueda continua de un equilibrio entre el crecimiento económico, la protección del medioambiente y el bienestar social. Desde este punto de vista, el desarrollo e implementación de materiales inteligentes y/o multifuncionales puede permitir alcanzar alguno de los siguientes impactos que revierten en forma directa o indirecta en una industria más sostenible:

• Extensión de la vida útil de productos, componentes y estructuras, mejorando el ciclo de vida de los mismos, y reducción de operaciones de mantenimiento, con los consecuentes ahorros energéticos y económicos: por ejemplo a través de la modificación/mejora/control de ciertas propiedades específicas relacionadas con la durabilidad y la tolerancia al daño, conseguidas a nivel de material; o permitiendo la incorporación de tecnologías de monitorización de salud estructural (SHM) basadas en materiales con capacidades de auto-sensorización.
• Reducción de peso y uso más eficiente de materiales, dando lugar a una reducción del consumo de combustibles fósiles, el consumo energético y disminuyendo el nivel de emisiones: obtenido a través de materiales con mejores ratios de propiedades mecánicas específicas (i.e. respecto a su densidad); materiales y tecnologías que permiten obtener características ad-hoc o gradaciones funcionales de propiedades, ofreciendo nuevas oportunidades de optimización de productos; o materiales que permiten la integración de funciones.
• Mejora de la reciclabilidad, reuso, recuperación y reparabilidad de los productos: en este caso obtenida mediante materiales con capacidades específicas para estos procesos, como los que incorporan mecanismos de degradación controlables bajo demanda.
• Desarrollo  de nuevos dispositivos o sistemas que permiten la mejora de la eficiencia energética de procesos o de la vida en servicio de otros productos o equipos, o el control del impacto medioambiental de los mismos: como sensores, nuevos sistemas para almacenamiento de energía (baterías, capacitores) y “energy harvesting”, por mencionar algunos.

Un reto para la ciencia de materiales

Los procesos de desarrollo de materiales teniendo en cuenta la sostenibilidad implican un conjunto de aspectos y disciplinas que surgen al considerar conjuntamente las cuestiones más técnicas, típicas de la ingeniería de materiales, las económicas y el ciclo de vida completo de los materiales y los productos en los que se utilizan.

Así, en primer lugar aparecen los aspectos relacionados con los procesos de síntesis y fabricación, el modelado y la simulación de materiales, las técnicas de caracterización y las metodologías de optimización y análisis, en los que se mezclan la química, la física y la ingeniería.

En su aplicación a productos, el desarrollo de materiales inteligentes y multi-funcionales presenta generalmente un alto nivel de complejidad, dado que se traduce en la implementación de nuevos materiales que deben responder a un mayor número de requerimientos. En ambos casos, la introducción de una capacidad de respuesta controlada y repetible ante ciertos estímulos (como definición de material inteligente) o la propia integración de funciones, generan un mayor número de  requisitos que se deben cumplir simultáneamente según el producto/componente en los que se utilizan.

A modo de ejemplo, las alas de avión con capacidad de cambio de forma que se están investigando actualmente en busca de mejoras en el consumo y eficiencia energética de las aeronaves, deben responder satisfactoriamente a los requisitos asociados a esta nueva funcionalidad además de cumplir con los que aplican a las alas convencionales.

Pero el concepto de sostenibilidad hace que adquieran igual importancia, además de los costes, los criterios relacionados con el comportamiento medioambiental y la salud/seguridad, los cuales deben ser integrados dentro de los procesos de desarrollo:

Esto pone de manifiesto la necesidad de contar con metodologías y estrategias que permitan llevar a cabo estos procesos de forma efectiva y eficiente, siendo esto uno de los retos actuales para la ciencia y la ingeniería de materiales.

Independientemente de lo anterior, el conjunto de materiales y tecnologías que caen dentro de la categoría «materiales inteligentes/multifuncionales» es enorme, y las necesidades de desarrollo pueden ser muy diferentes según el caso.  En este sentido, algunos ejemplos concretos de este tipo de materiales son:

• Materiales con funcionalidades especiales/adicionales: auto-revelación de daño, auto-reparación, degradación controlada / bajo demanda, materiales con propiedades superficiales específicas (auto-limpiables, anti-hielo, anti-desgaste, auto-desmoldeables, hidrófobos, etc.)
• Materiales inteligentes: auto-sensorizados, materiales con capacidad de calentamiento controlada en base a corrientes eléctricas o campos magnéticos, materiales con memoria de forma o con capacidad de cambio de forma, materiales de cambio de fase, materiales de impresión 4D, piezoeléctricos, elastómeros dieléctricos, foto-activos, cromo-activos, magnetoreológicos,  entre otros.
• Materiales con propiedades térmicas, eléctricas, magnéticas y/o mecánicas mejoradas, gradación de propiedades materiales auto-reforzados.

A partir de este amplio abanico, los ejemplos de aplicación son también muy variados y abarcan campos diversos, pudiendo generar requerimientos muy diferentes dependiendo del caso.

Materiales inteligentes y multifuncionales en ITAINNOVA

El Instituto Tecnológico de Aragón trabaja desde hace años en proyectos relacionados con el ámbito de los materiales inteligentes y multifuncionales. En dichos proyectos se ha logrado obtener, por ejemplo, elastómeros con capacidad de auto-sensorización (determinación del nivel de deformaciones a partir de medidas de propiedades eléctricas), polímeros nano-reforzados para mejorar propiedades mecánicas específicas, y estudios de texturizado superficial para la mejora de propiedades tribológicas (fricción y desgaste).

Como ejemplo reciente, dentro del marco del proyecto europeo SmartFan (actualmente en curso), ITAINNOVA ha estado desarrollando polímeros y materiales compuestos con capacidad de revelar daño (self-revealing), facilitando la detección de grietas en métodos de inspección visual. Esto se consigue en este caso mediante la incorporación de micro-cápsulas que contienen substancias fluorescentes, que permiten identificar fisuras de pequeño tamaño mediante lámparas UV:

Otro desarrollo realizado dentro del mismo proyecto es la modificación de polímeros con nano-partículas magnéticas (MNPs) para conferir capacidades de calentamiento mediante inducción sin que haya efectos relevantes en el resto de propiedades.

Dentro de SmartFan, las actividades de desarrollo de materiales y las necesarias para su implementación en productos se combinan con análisis económicos y medioambientales para obtener una evaluación global de las tecnologías. En este caso, esto se consigue a través de la colaboración entre los diferentes socios. De esta manera, el proyecto constituye un claro ejemplo de los procesos antes mencionados, necesarios para conseguir materiales inteligentes y multi-funcionales sostenibles.

ITAINNOVA comprometido con la #NeutralidadClimática #ClimateNeutral.

Referencias

(1) Advanced materials, European Commission

https://ec.europa.eu/info/research-and-innovation/research-area/industrial-research-and-innovation/key-enabling-technologies/advanced-materials_en.

(2) 6th World Materials Summit: outcome – MATERIALS INNOVATION FOR THE GLOBAL CIRCULAR ECONOMY AND SUSTAINABLE SOCIETY, Council of Europe, Strasbourg – 20th & 21st November 2017.

(3) Research and Development in Carbon Fibers and Advanced High-Performance Composites Supply Chain in Europe: A Roadmap for Challenges and the Industrial Uptake, E. Koumoulos, A. Trompeta, , R. Santos, M. Martins, C. Monterio dos Santos, V. Iglesias, R. Böhm, G. Gong, A. Chiminelli, I. Verpoest, P. Kiekens and C. Charitidis, J. Compos. Sci. 2019, 3, 86; doi:10.3390/jcs3030086.

(4) Horizon Europe Work Programme 2021-2022: HORIZON-CL4-2022-DIGITAL-EMERGING-01-20: 2D-material-based composites, coatings and foams (IA), HORIZON-CL4-2022-RESILIENCE-01-13: Smart and multifunctional biomaterials for health innovations (RIA), HORIZON-CL4-2022-RESILIENCE-01-11: Advanced lightweight materials for energy efficient structures (RIA), HORIZON-CL4-2021-DIGITAL-EMERGING-01-13: Academia-Industry Forum on Emerging Enabling Technologies (CSA), HORIZON-CL4-2021-RESILIENCE-01-12: Safe- and sustainable-by-design metallic coatings and engineered surfaces (RIA).

(5) Using smart materials to solve new challenges in the automotive industry, Kerrie K. Gath, Clay Maranville, Janice Tardiff, Proceedings Volume 10602, Smart Structures and NDE for Industry 4.0; 1060202 (2018) https://doi.org/10.1117/12.2296622, March 2018.

(6) Faurecia to create sustainable, smart materials division, targets EUR 3 b sales, https://auto.economictimes.indiatimes.com/news/auto-technology/faurecia-to-create-sustainable-smart-materials-division-targets-eur-3-b-sales-by-2030/84669570.

(7) https://www.sustainair.eu/2021/07/13/3-ways-to-close-the-loop-for-aerospace-materials.