Adimendun 29



Núm 29 // Octubre 2010
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Materiales Inteligentes

Introducción

¿Qué son los materiales inteligentes?

Los materiales inteligentes, activos, o también denominados multifuncionales son materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades.

Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder también llegar a configurar estructuras y sistemas inteligentes de aplicaciones múltiples. En este caso las  estructuras inteligentes, son por ejemplo aquellas que gracias a la combinación de estos materiales son capaces de autodiagnosticarse y  modificarse para adaptarse a las condiciones que se les ha marcado como óptimas o correctas.
 
Algunos de estos materiales, son conocidos desde hace muchos años y otros (la mayoría) son de reciente aparición. Se manifiestan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, y su comportamiento es muy diverso siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos. Actualmente, su importancia surge gracias a las nuevas tecnologías como la microelectrónica y la posibilidad de diseñar y sintetizar estructuras orgánicas poliméricas con propiedades activas predefinidas.

Por ejemplo, hasta hace pocos años todos nos hemos maravillado ante los displays de cristal líquido (LCD) presentes en pantallas planas de ordenador, teléfonos móviles, ..etc. Pero ya ha comenzado su  cuenta a tras con la aparición de los OLED (Organic Light-Emitting-Diode), pantallas en base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos, permitiendo diseños más ligeros y flexibles. Juntando tecnología e imaginación, ya se comercializan con estas nuevas pantallas vídeo cámaras (Kodak Easyshare LS633), así como lámparas planas para sistemas de seguridad y señalización, piezas plásticas de interior de vehículo con luz propia. Siendo imparable el desarrollo de nuevos productos en base a los materiales activos.




¿Cuáles son los materiales inteligentes y cómo funcionan?

A continuación se enumeran agrupados por el tipo de estímulo o comportamiento algunos de los materiales comúnmente denominados como activos o inteligentes:

  • Materiales Electro y Magnetoactivos. Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos (magnetostrictivos, electrostrictivos, ...), ampliamente empleados en el desarrollo de sensores. También, los nuevos desarrollos en base a materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP (Electro Active Polymers) cuyo desarrollo abren paso a los músculos artificiales y mecanismos orgánicos artificiales.

    Los materiales piezoeléctricos, materiales con la capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, ..etc. En la actualidad además de los cerámicos, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de films son fácilmente incorporados a plásticos y composites.

    Los materiales electro- y magnetoreológicos, materiales capaces de alterar su propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables, en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos, silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en base a fluidos magnetoreológicos MRF.
  • Materiales Fotoactivos (Eléctroluminiscente, Fluorescente, Fosforescente o Luminiscentes). Son materiales que actúan emitiendo luz. En el caso de los electroluminiscentes cuando son alimentados con impulsos eléctricos emiten luz, los fluorescentes devuelven la luz con mayor intensidad y los fosforescentes, almacenan la energía y la emiten después de cesar la fuente de luz inicial.

    Son ya aplicados a sistemas de señalización y seguridad. En el caso de los electroluminiscentes, emiten luz fría y su disposición en forma de film (lámparas planas) están siendo combinados en piezas plásticas mediante técnicas como IMD (In Mold Decoration) para realizar piezas 3D que emiten luz propia.
  • Materiales Cromoactivos (Termocrómico, Fotoctrómicos, Piezocrómicos). Son materiales que modifican su color ante cambios de temperatura, luz o presión. Los termocrómicos están ya presentes en forma de etiquetas de control de temperatura (cadena de frío), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, mangos,..), juguetes (cromos que al frotar muestran una imagen),..
  • Materiales con Memoria de Forma (aleaciones metálicas SMA y polímeros). Se definen como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y capaces de volver a esa forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede producir por un cambio térmico o magnético.

    Las aleaciones metálicas más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA, se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud, si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, … En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores, ….como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras,…sistemas de unión y separación controlados,…etc.

En general estos materiales llamados “inteligentes” se solapan y se entremezclan con otras grandes tecnologías como las nanotecnologías, la microelectrónica y los biomateriales.

¿Cuáles son sus aplicaciones actuales?

Al margen de las aplicaciones en sectores como el aeroespacial y militar, los materiales anteriores pueden por sí solos, constituir productos inteligentes o elementos fundamentales como sensores y actuadores de uso en ingeniería civil y servicios a la sociedad en general.

Los sensores y actuadores, a su vez, se pueden combinar e incorporar de modo externo o posterior a la fabricación de un producto de cara a:

  • Autocontrolarse durante su fabricación, interaccionando con los parámetros de proceso de cara a asegurar un nivel de calidad.
  • Conformar un producto final multifuncional, que pueda ofrecer diferentes respuestas en función de las condiciones previstas.
  • Monitorizar y controlar su estado en funcionamiento.
  • Monitorizar su entorno y dar ordenes a otros sistemas.
  • Autorepararse.

Hoy en día se aplican en sistemas de monitorización y control activo en muchos procesos y en algunos productos. Sin embargo la evolución de estos materiales pueden permitir llegar a ser incorporados durante el proceso de elaboración del producto, de modo integrado, combinando diferentes materiales activos, reduciendo y simplificando los diseños y etapas de fabricación.

Existen otros sensores como la fibra óptica, que permite medir la mayoría de las propiedades físicas: desplazamiento, fuerza, fluidez, temperatura, presión, rotación, acústica, campo magnético, campo eléctrico, radiación, vibración , daños, … También es aplicable al control del fraguado de cemento en piezas prefabricadas, estructuras industriales, grúas, estructuras de máquina herramienta, aerogeneradores,…etc. 

En otros sectores, la presencia de los materiales activos en el mundo del envase y el embalaje, permiten garantizar la calidad de los productos y además ayudan a controlar los procesos de producción y distribución, mediante envases que controlen la duración del contenido (film de polímeros biocidas) o que lo defiendan contra la contaminación por microorganismos, etc.

En la industria del automóvil, la electrónica y la sensorización van adquiriendo, día a día, una importancia mayor. Sistemas de seguridad y control, que pretenden alcanzar un compromiso entre comodidad y seguridad.


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