Nuevas necesidades sociales y nuevos materiales

De este modo, es posible encontrar por ejemplo plásticos que conducen la electricidad y que se utilizan en las pantallas protectoras de radiación presentes en los ordenadores o en lo que se denomina las ventanas inteligentes que pueden disminuir la luz solar; materiales semiconductores que posibilitan la miniaturización de los dispositivos con los que funcionan los teléfonos móviles o los códigos de barras; chips o circuitos integrados con los que funcionan aparatos electrónicos de uso común como pueden ser el lavavajillas o la lavadora y hasta los más sofisticados satélites de telecomunicaciones; materiales cerámicos capaces de soportar temperaturas altísimas sin descomponerse y que están siendo utilizados por ejemplo en baterías recargables, y materiales cerámicos que pueden usarse en implantes dentales o en prótesis procurando esgrimir su biocompatibilidad con el organismo humano. Además hoy en día se investiga, entre otras muchas cosas, en la búsqueda materiales compuestos que permitan aunar las propiedades de flexibilidad y facilidad de fabricación de los plásticos con las propiedades semiconductoras del silicio, de manera que todo ello permita por ejemplo la fabricación de pantallas de televisión de gran tamaño fácilmente enrollables.

Dispositivo que representa una pila de ión litio

El progreso de la humanidad ha estado ligado desde sus orígenes al uso y desarrollo de materiales. Naturalmente, en épocas remotas, ya desde el Paleolítico Superior, el interés principal del hombre era el de satisfacer sus necesidades más inmediatas utilizando para ello materiales como la piedra, el cobre, el bronce o el hierro. El comienzo supuso pues el hecho de pasar directamente a la aplicación, resultado directo de una necesidad, y para ello se diseñaron en su día utensilios tales como puntas de flecha o cuchillos que fueron utilizados para cazar. Sin embargo, si antiguamente el descubrimiento de un determinado material capaz de solventar una necesidad determinada tuvo lugar como consecuencia del azar, de la suerte o la intuición, hoy en día el estudio y la investigación están posibilitando el diseño a medida de nuevos materiales y para ello los investigadores hacen uso de los diferentes elementos químicos que están tabulados en la tabla periódica. Metales, aislantes, semiconductores, cerámicas, plásticos etc., ciertamente, todo cuerpo material está constituido por ciertas proporciones de determinados elementos químicos y son las características intrínsecas de dichos elementos, su proporción dentro del material junto con parámetros, entre lo que cabe citar la microestructura y estructura resultantes o el diseño a medida del elemento o compuesto preparado, los que le confieren finalmente las propiedades a ese determinado material.

A la hora de plantearse la preparación de nuevos materiales, es fundamental que los investigadores tengan un conocimiento claro y preciso de los mecanismos que originan unas determinadas propiedades en los materiales tradicionales. De ese modo ellos podrán más tarde preparar materiales nuevos que posean las mismas propiedades mejoradas o bien una combinación de varias de ellas. En este sentido, una gran parte del trabajo científico que se lleva a cabo en la actualidad, dentro del amplio campo abarcado por lo que se denomina la ciencia de los materiales, está siendo enfocado hacia el desarrollo de nuevos métodos de síntesis.

	Si antiguamente el descubrimiento de un determinado material capaz de solventar una necesidad determinada tuvo lugar como consecuencia del azar, de la suerte o la intuición, hoy en día el estudio y la investigación están posibilitando el diseño a medida de nuevos materiales

Los novedosos métodos de preparación de materiales han de permitir su diseño en base a la optimización de algunas de sus propiedades y ello puede posibilitarse estudiando de manera exhaustiva el efecto que produce el método de preparación de un material sobre su microestructura, de tal forma que es conocido por expertos que trabajan dentro del área correspondiente que tanto el tamaño como la morfología de las partículas constitutivas de un determinado material van a ser factores clave a la hora de conseguir nuevas propiedades y, según revelan ciertos estudios, la estructura electrónica, la conductividad, la reactividad, la temperatura de fusión y las propiedades magnéticas o mecánicas de los diferentes materiales se modifican cuando sus partículas integrantes alcanzan tamaños inferiores a un cierto valor crítico, siendo la dependencia del comportamiento con el tamaño de partícula lo que permite el diseño de propiedades.

Dentro de nuestro grupo de investigación, una parte del trabajo que se está realizando en la actualidad está yendo encaminado a analizar el modo en el que el método de preparación puede afectar a la microestructura de materiales que presentan un alto grado de estabilidad térmica, química o mecánica y que en la actualidad muestran un gran atractivo, debido a que en un futuro no muy lejano es posible que puedan ser empleados como materiales para electrodos o como electrolitos sólidos en baterías de ión litio. El avance de esta investigación puede posibilitar el desarrollo de nuevas celdas electroquímicas o la producción de baterías secundarias o recargables de ión litio, más ligeras y que puedan utilizarse por ejemplo en teléfonos móviles o como fuentes alternativas de energía.

Es indudable que la diferente microestructura obtenida en cada material debida al método de preparación utilizado va afectar claramente a la conductividad que puedan presentar compuestos de este tipo que presenten un comportamiento de conductores iónicos rápidos y que puedan ser utilizados por tanto como electrolitos sólidos en baterías de ión litio.

Micrografías a 5.500 y a 20.000 aumentos de: a) ortofosfato de titanio y litio puro; b) el mismo material al que se la ha añadido una pequeña cantidad de cromo con el fin de modificar su conductividad

Entre todas las baterías recargables que han imperado dentro del mercado de la electrónica han sido las de litio junto quizá a las de hidruro metálico las que en su día han encontrado un mayor consenso en cuanto a su potencial y por ello son la que han sido ampliamente investigadas. Las razones que han originado este consenso se han basado en el hecho de que el litio es el metal más ligero que existe, al tener únicamente tres protones, y además su peso atómico es muy bajo. Todo esto permite la generación de un gran potencial químico y la producción de baterías de gran capacidad específica utilizando un peso de material mínimo. Sin embargo, la comercialización de baterías recargables de litio no ha resultado nada fácil debido a problemas derivados de la gran reactividad del litio metálico y a que, aunque el electrolito líquido constitutivo de las baterías convencionales proporcionaba buenos contactos con los electrodos sólidos y altas conductividades iónicas, también presentaban desventajas importantes como por ejemplo la corrosión que sufrían los electrodos por la reacción con el electrolito.

Una gran parte del trabajo científico que se lleva a cabo en la actualidad, dentro del amplio campo abarcado por lo que se denomina la ciencia de los materiales, está siendo enfocado hacia el desarrollo de nuevos métodos de síntesis

Afortunadamente, todos estos problemas se resolvieron en su día de forma totalmente satisfactoria con la introducción de dos variantes dentro de esta tecnología: las baterías de ión-litio y el desarrollo de electrolitos plásticos menos reactivos que sus análogos líquidos en relación a la seguridad y de estabilidad aunque no se pueden utilizar a temperaturas elevadas.

La búsqueda de baterías recargables que suministren más potencia, que sean más ligeras y estables, y que proporcionen mayor densidad de energía, constituye ya una necesidad urgente para el mercado de la electrónica de consumo.

En este contexto de búsqueda de mejoras en las características técnicas de las baterías secundarias de ión litio, los materiales cerámicos cristalinos que se están preparando en nuestros laboratorios constituyen hoy en día una de las mejores alternativas de uso como electrolitos sólidos en baterías de este tipo. Esto es debido a la alta conductividad relativa que presenta el ión litio en este tipo de compuestos a temperatura ambiente, a bajas temperaturas y al excelente comportamiento de estos materiales como electrolitos sólidos a temperaturas elevadas, donde no funcionan ni los electrolitos líquidos ni los electrolitos basados en polímeros.

Es fundamental, para que el bienestar social siga incrementándose a lo largo de los años, que haya investigadores especializados en áreas diferentes que aporten sus conocimientos y que colaboren en su trabajo, de manera que entre todos se continúe contribuyendo a la mejora de las características de los materiales ya existentes o a la puesta a punto de otros de nueva creación.