Materiales, sociedad y bienestar

El mundo de los materiales es inmenso y diverso. Los materiales han sido eje central del crecimiento, la prosperidad, la seguridad y la calidad de la vida humana desde el principio de su historia y, lo que es más importante, su conocimiento y desarrollo sigue siendo hoy en día la base del bienestar de nuestra sociedad. Según establece M. Elices en su artículo "Investigación y Desarrollo en Ingeniería de Materiales" (en Investigación y Desarrollo Tecnológico: Papeles y Memoria de la Real Académica de Ciencias Morales y Políticas, n. 9, 171-175, 2001), en el futuro, la prosperidad de las naciones desarrolladas se basará en tres tecnologías: la Tecnología de la Información, la Biotecnología y la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Las tres ya inciden claramente en el crecimiento económico de las sociedades más avanzadas. Incluso, con el desarrollo de los nuevos sistemas económicos, el mundo seguirá dependiendo de una serie de servicios que requieran de productos físicos, por lo que siempre se necesitarán los materiales. Además, la Ciencia e Ingeniería de los Materiales posibilita a las otras dos tecnologías también nombradas y, junto a éstas, será un factor clave para crear salud, bienestar y empleo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los materiales por sí mismos no hacen nada, aunque sin los materiales el hombre tampoco puede hace nada. Sólo nuestra capacidad para diseñarlos, obtenerlos, transformarlos y modificarlos, en definitiva conocerlos y comprenderlos, los convierten en medios indispensables para nuestro desarrollo y bienestar.

Los estudios prospectivos realizados en el inicio del presente siglo (por ejemplo, los llevados acabo en el Reino Unido, como es el caso de "Excellence and Opportunity- a Science and Innovation Policy for the 21st Century. DTI, Dec. 2000. Cm 4814. http://www.ost.gov.uk/enterprise/dtiwhite/) llegaron a la conclusión de que la investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales continua teniendo y tendrá en los próximos años una influencia primordial en el crecimiento económico y en el desarrollo sostenible de nuestra sociedad. La investigación a largo plazo en el campo de los materiales debe de estar dirigida hacía objetivos sociales, éticos y ambientales para poder ser capaz de mejorar la calidad de vida, crear salud y conseguir un desarrollo sostenible.

Una de las principales características de una sociedad industrializada como la nuestra es su extravagancia en el uso de los materiales. Dicha extravagancia es el resultado de un comportamiento a veces compulsivo de nuestra sociedad: no solamente cada día consumimos materiales y más rápidamente, sino que además continuamente aumentamos su diversidad. Este desarrollo frenético da como resultado que cada día aparezcan lo que podríamos considerar nuevos materiales. Algunos son verdaderamente mejores, o más baratos, que los que existían hasta ese momento; otros combinan propiedades hasta el momento no existentes, lo que permite fabricar nuevos dispositivos o alcanzar efectos insospechados.

Esta demanda tan acusada de materiales no se limita a aplicaciones que la sociedad pueda considerar tecnológicamente punteras. Es verdad que industrias como la aeroespacial, la aeronáutica, la militar, etc; son consideradas como principales usuarias de los desarrollos más espectaculares y las primeras reseñas que inundan nuestros periódicos y noticiarios hacen referencia a estas aplicaciones; como es el caso de la reciente presentación del gigantesco avión de Aribus A380, cuyo fuselaje construido en material compuesto de fibra de carbono de alta resistencia (CFRC) permite aligerar el peso de su estructura de forma espectacular (https://www.thoughtco.com/chemistry-basics-4133593).

Pero basta comparar como eran muchos de los utensilios del día a día hace menos de 20 años y como son ahora, para darse cuenta que nuestras vidas han cambiado al compás marcado por la aparición de muchos de estos nuevos materiales. Algunos ejemplos los encontramos en las prestaciones de muchos de los dispositivos que hacen más fácil y placentera nuestra vida diaria, en nuestro propio hogar, para darse cuenta que, en nuestras cocinas, salones, dormitorios, etc; han entrado, casi sin darnos cuenta, materiales con propiedades y comportamientos hasta hace unos años insospechados. Nuestros paisajes comienzan a cambiar su fisonomía, marcados, a veces como cicatrices, por vías por las que circulan ejércitos de automóviles que consumen su combustible de forma más eficiente y reducen el nivel de sus emisiones, gracias a la incorporación materiales cada vez más ligeros. Es más, incorporamos nuevos elementos que redibujan el paisaje, como es el caso de esos inmensos molinos de viento (aerogeneradores) que participan directamente de ese objetivo de sostenibilidad antes expuesto y que parecen querer retar, en una lucha más que desigual, al propio D. Quijote, invitándole a chocar la madera de su lanza y el acero de su armadura con la ligereza e inteligencia de sus aspas fabricadas de material compuesto. Incluso admitimos en nuestro propio cuerpo, en ocasiones resignados y en otras por propia voluntad, la presencia de materiales fabricados por el hombre (biomateriales) que nos permiten seguir disfrutando de una calidad de vida, o de un aspecto, razonablemente aceptable.

Sin embargo, este consumo a veces desenfrenado y frenético de materiales nos obliga a encontrar fórmulas para emplear los recursos naturales no renovables de una forma más eficiente, de desarrollar tecnologías de producción más limpias que consuman menos energía y produzcan menos residuos, de reciclar y valorizar dichos residuos, así como de saber emplear materias primas que estén disponibles en mayor abundancia, en lugar de las que irreversiblemente acabarán agotándose.

Bajo estas premisas la investigación y el desarrollo en materiales debe estar regida por dos objetivos clave: eco-eficiencia e innovación radical. Ya en su informe de enero del 2001, el "External Advisory Group (EAG)" de la Comisión Europea encargado de la Key Action denominada "Innovative products, processes and organisation" (http://europa.eu.int/comm/research/fp5/pdf/products2.pdf), estableció que, para conseguir una mejora ecológica que pueda ser considerada como radical, los productos fabricados y sus servicio deben ser, al menos, dos veces más duraderos o consumir menos de la mitad de materia prima y energía en su fabricación, respecto a los actuales.

El primer objetivo a cumplir para lograr estos retos es la consecución de una verdadera investigación multidiscipliar, donde químicos, físicos, biólogos e ingenieros estén verdaderamente integrados. El desarrollo de los materiales de esta nueva generación requerirá habilidades que vayan desde la posibilidad de manipular átomos hasta la de unir materiales completamente diferentes entre sí, para conseguir resultados hasta ahora insospechados. Podemos poner algunos ejemplos en los que se está dirigiendo desde hace años este esfuerzo investigador e innovador:

• El desarrollo de la Ciencia y la Tecnología a escala nanométrica o Nanotecnología que incluye temas como la nanofabricación, nanotecnología funcional, componentes y máquinas nanomecánicas, nanotecnología molecular, nanomateriales, etc. (G. Smith, G. Davies, O. Saxl. "Counting the Benefits of Nanotechnbology". Materials World. 8, 10-12. 2000). En el caso concreto de los materiales podemos citar el enorme interés que han despertado en los últimos años el desarrollo de los nanomateriales debido, en parte, a las insospechadas propiedades mecánicas, ópticas, eléctricas y magnéticas que presentan los materiales en esta escala de longitudes y, por otra, a los dispositivos que se pueden fabricar o construir con ellos, que permitirán alcanzar nuevas aplicaciones en sectores como el de la salud; en el procesado, almacenaje y comunicación de datos; en los sectores químicos y energéticos; o en el propio transporte aéreo y terrestre.
  
  En los próximos años, las investigaciones que se llevan a cabo en el campo de los nanotubos y las nanofibras de carbono, junto con el estudio de su incorporación a matrices de naturaleza polimérica, o incluso metálica o cerámica, abrirá una nueva frontera en el comportamiento y aplicaciones de los materiales compuestos tradicionales, incorporándose al mercado, como una realidad, los que ya hoy se conocen con el nombre de nanocomposites (J. Njuguna, K. Pielichowski "Polymeric nanocomposites for aerospace applications: properties". Advanced Engineering Materials- 5, 769-778, 2003).



• Otro de los nuevos campos de estudio para los próximos años seguirá siendo el referido al desarrollo de una nueva generación de biomateriales (H.R. Piehler. "The Future of the Medicine: Biomaterials". MRS Bulletin. 25, 67-70. 2000). Los materiales siempre han tenido y continúan teniendo una gran influencia en el sector de la salud; han salvado muchas vidas y continúan mejorando la calidad de vida. El desarrollo de la Biotecnología ha abierto nuevos horizontes en numerosas aplicaciones, no sólo en el campo de la medicina y sino también asociados a campos afines al bienestar, como puede ser el del análisis medioambiental. La primera premisa en el desarrollo de un biomaterial es que éste debe trabajar con el cuerpo y no contra él; esto implica desarrollar nuevas estrategias para su diseño. Por ejemplo, hasta hace relativamente poco tiempo, la investigación y el desarrollo de los biomateriales iba encaminada a la fabricación de materiales inertes; sin embargo, el sistema inmunológico de los pacientes originaba el deposito de tejidos alrededor de los implantes generando, al cabo del tiempo, problemas de inflamación y rechazo. Desde hace unos años, los biomateriales que se diseñan son bioactivos, es decir deben cooperar con los tejidos humanos. Estos desarrollos puede ser la llave para reemplazar las funciones vitales de los órganos que han fallado, alcanzando como objetivo lo que se ha dado a llamar órganos bio-híbridos (R.M. France. "Biomaterials join in the regeneration game". Materials World. 8, 19-21. 2000).
  
  Incluso, dentro del campo de los biomateriales, no debemos olvidar la necesidad que tenemos de seguir aprendiendo de la naturaleza a fabricar materiales de mejores prestaciones. El desarrollo de fibras de alta resistencia a partir de estudios los estudios de algunas fibras animales (como las de las sedas de las arañas), (?id=36), es un ejemplo como la naturaleza ha sabido crear biomateriales cuya resistencia aun no ha sido capaz de superar ninguna de las fibras artificiales creadas por el hombre.

Aunque la nanotecnología y la biotecnología parecen ser los dos campos donde los avances de la Ciencia e Ingeniería de Materiales pueden llegar a ser más espectaculares; por ejemplo, ya en 1999, D.O. Weber ("Nanomedicina". Health Forum Journal. 42, p.32) predijo el empleo la nanotecnología (nano-robots médicos) para limpiar obstrucciones en sistemas circulatorios, eliminar células cancerígenas, monitorizar y diagnosticar enfermedades, tratar enfermedades virales y bacterianas, et; la necesidad de seguir avanzando en los llamados tradicionalmente materiales estructurales no deja de ser otro objetivo prioritario. Existen sectores industriales que son especialmente activos a la hora de promover nuevos desarrollos en este campo y, entre ellos, se puede citar al sector de transportes.

• En concreto, en la anteriormente citada industria del automóvil en la que los materiales poseen una fuerte incidencia; se ha estimado que en ella la inversión en materiales asciende al 42 %, mientras que en mano de obra sólo supone el 25 % del coste final. Estos datos son un claro ejemplo de la necesidad de dominar y desarrollar nuevas tecnologías de procesado de los materiales, a la vez que se explota la utilización de nuevos materiales, en la dirección de producir estructuras más resistentes y ligeras, para optimizar el consumo de carburante y aumentar la seguridad y el confort.



• Más exigente aún son las industrias aeronáutica y espacial, donde las condiciones de funcionamiento son extremas y los niveles de seguridad exigidos máximos. La importancia de este sector queda reflejado si consideramos que, durante el año 2000, más de un millón de personas estaban empleados en este sector. Así, a los retos de aligerar peso en las estructuras, ya puestos como ejemplo en este artículo, hay que resaltar los requerimientos de materiales para aplicaciones a alta temperatura. A este campo contribuyen tanto el desarrollo de las múltiples tecnologías de recubrimiento y modificación superficial de los materiales, en lo que ha dado en llamarse Ingeniería de Superficies (A. Matthews. "The future´s bright for Surface Engineering". Materials World. 6, 346-347. 1998), como el diseño y fabricación de nuevos materiales compuestos de matriz cerámica o el posible empleo de intermetálicos se presentan como una opción fascinante a las superaleaciones en los sistemas de propulsión por combinar excelentes comportamientos a alta temperatura y densidades relativamente bajas, junto a puntos de fusión elevados y difusividades intrínsecamente bajas.

No podemos olvidar tampoco, el avance que las tecnologías asociadas con la comunicación, procesado y almacenaje de información y que se han dado en denominar Tecnologías de la Información, han tenido en los últimos años, gracias al desarrollo de un tipo de materiales de altísimas prestaciones y muy bajo costo que se denominan de forma genérica materiales funcionales (P. Chaudhari. "Information Technology: A Play of Materials". MRS Bulletin. 25, 55-62, 2000). El diseño de este tipo de materiales permitió en su momento la sustitución de los conductores metálicos tradicionales por fibra óptica, en sistemas de transmisión de la comunicación, aumentando la eficacia y disminuyendo significativamente el coste. Los avances en microelectrónica están ahora dirigidos a la producción de componentes monoelectrónicos y geometrías no planares, así como a la sustitución del silicio por otros materiales semiconductores, tales como el arseniuro de galio.

Estos y otros posibles ejemplos dentro de sectores tan importantes como los revisados en este artículo y en otros, entre los que podríamos citar el papel de los materiales en la generación de energía (B.L. Eyre y J.R. Matthews. "Materials for Power Industry". MRS Buletin, 26, 547-554, 2001), en la construcción y edificación (T.N. Gupta. "Materials for the Human Habitat". MRS Bulletin. 25, 60-63. 2000.) o los no menos importantes aspectos relacionados con la investigación en ecomateriales (K. Halada, R. Yamamoto. "The Current Status of Research and Development on Ecomaterials around the World" MRS Buletin, 26, 871-879, 2001), sirven para ilustrar la importancia que la Ciencia e Ingeniería de los Materiales posee en el desarrollo de una serie de tecnologías que marcarán en los próximos años el estado de bienestar de nuestra sociedad.

La investigación, el desarrollo y la innovación en el campo de los materiales serán cruciales en el desarrollo tecnológico de nuestra sociedad y permitirán una capacidad sin precedentes a la hora de manipular la materia, la inteligencia e, incluso, la propia vida. No obstante, estas metas sólo se podrán alcanzarse, si se cuenta con científicos e ingenieros formados, desde un punto de vista integral, en el campo de los materiales e introduciendo en dicha formación las bases de conocimiento suficientes en la superdisciplina que es la Ciencia e Ingeniería de los Materiales.