Los nuevos materiales, también conocidos como materiales avanzados, son aquellos desarrollados recientemente o en fase de desarrollo que presentan un rendimiento superior al de los materiales tradicionales.
Abarcan materiales de nuevo desarrollo o en proceso de investigación, que demuestran capacidades excepcionales que superan a los materiales convencionales.
La tecnología de los nuevos materiales se elabora de acuerdo con la intención humana, a través de una serie de procesos de investigación que incluyen la investigación física, el diseño de materiales, el procesamiento y la evaluación experimental, todo ello con el objetivo de crear materiales innovadores que satisfagan diversas necesidades.
Esto incluye el posicionamiento funcional, el posicionamiento direccional, el posicionamiento técnico y el posicionamiento de mercado:
(1) Nuevos materiales compuestos
El uso de nuevos materiales compuestos se remonta a la antigüedad. Algunos ejemplos históricos son la arcilla reforzada con paja y el centenario hormigón reforzado con acero, ambos compuestos por dos materiales diferentes. En la década de 1940, debido a las necesidades de la industria aeronáutica, se desarrollaron los plásticos reforzados con fibra de vidrio (comúnmente conocidos como fibra de vidrio), que marcaron el advenimiento de los materiales compuestos. A partir de los años 50, se desarrollaron fibras de alta resistencia y alto módulo, como las de carbono, grafito y boro. En los años 70 aparecieron las fibras de aramida y carburo de silicio.
Estas fibras de alta resistencia y alto módulo pueden combinarse con matrices no metálicas como resinas sintéticas, carbono, grafito, cerámica, caucho, o matrices metálicas como aluminio, magnesio, titanio para formar materiales compuestos únicos. Las fibras de polietileno de peso molecular ultraalto, conocidas por su excepcional solidez y resistencia a los agentes químicos y al envejecimiento, también destacan en la transmisión por sonar de alta frecuencia y la resistencia a la corrosión del agua de mar.
Estas fibras se utilizan en carenados de sonares de alta frecuencia para buques de guerra, mejorando la capacidad de detección y barrido de minas. Más allá de las aplicaciones militares, tienen amplias perspectivas en la fabricación de automóviles, la construcción naval, los dispositivos médicos y los equipos deportivos. Su introducción ha suscitado gran atención e importancia en los países desarrollados.
(2) Materiales superconductores
Algunos materiales presentan una resistencia eléctrica nula a cierta temperatura crítica, fenómeno conocido como superconductividad. Otra característica de los superconductores es su diamagnetismo, es decir, la incapacidad de las líneas de campo magnético para penetrar en un superconductor cuando éste pierde su resistencia. Por ejemplo, la resistencia eléctrica de metales comunes como el cobre disminuye con la temperatura y alcanza un cierto valor cerca de 0K.
En 1919, la científica holandesa Heike Kamerlingh Onnes descubrió que la resistencia del mercurio desaparece por completo a 4,2K (-269°C), demostrando así la superconductividad y el diamagnetismo. La temperatura crítica (TC) a la que la resistencia de un superconductor se hace cero es una característica clave. La investigación de materiales superconductores se centra en superar la "barrera de temperatura" para encontrar superconductores de alta temperatura.
Se han comercializado superconductores prácticos como el NbTi y el Nb3Sn, que encuentran aplicaciones en la imagen por resonancia magnética nuclear (NMRI), los imanes superconductores y los imanes de grandes aceleradores. Los SQUID, como ejemplos de superconductores en aplicaciones eléctricas débiles, desempeñan un papel crucial en la detección de señales electromagnéticas débiles, cuya sensibilidad no tiene parangón en ningún dispositivo no superconductor.
Sin embargo, las bajas temperaturas críticas de los superconductores convencionales, que requieren complejos y costosos sistemas de helio líquido (4,2K), han limitado considerablemente sus aplicaciones. La llegada de los superconductores de óxido de alta temperatura rompió esta barrera de temperatura, elevando la temperatura aplicable del helio líquido (4,2K) a los niveles del nitrógeno líquido (77K). El nitrógeno líquido es un refrigerante más económico y con mayor capacidad calorífica que el helio líquido, lo que facilita enormemente las aplicaciones de ingeniería.
Los superconductores de alta temperatura también tienen considerables capacidades magnéticas, capaces de generar campos magnéticos de más de 20T. Las aplicaciones de los materiales superconductores incluyen la generación, transmisión y almacenamiento de energía. Los generadores superconductores con imanes de bobina pueden aumentar la intensidad del campo magnético hasta 50.000-60.000 Gauss sin apenas pérdida de energía, mejorando la capacidad de una sola unidad entre 5 y 10 veces y la eficiencia en 50% en comparación con los generadores convencionales.
Las líneas de transmisión y los transformadores superconductores pueden transmitir electricidad a los usuarios con pérdidas mínimas. Por ejemplo, en China se pierden 15% de energía eléctrica en las líneas de transmisión de cobre o aluminio, lo que equivale a más de 100.000 millones de kWh al año. El cambio a la transmisión superconductora podría ahorrar electricidad suficiente para sustituir la necesidad de docenas de grandes centrales eléctricas.
Los trenes maglev superconductores funcionan gracias a la propiedad diamagnética de los superconductores, que repelen las líneas de campo magnético, lo que permite al superconductor levitar sobre un imán permanente o un campo magnético. Este efecto maglev se utiliza en trenes maglev superconductores de alta velocidad, como el del Aeropuerto Internacional de Shanghai Pudong. En los ordenadores superconductores, la resistencia casi nula de los materiales superconductores permite empaquetar densamente los circuitos en chips integrados sin sobrecalentamiento, lo que aumenta considerablemente la velocidad de cálculo.
(3) Materiales energéticos
Los materiales energéticos incluyen materiales para células solares, materiales para almacenamiento de hidrógeno y materiales para pilas de combustible de óxido sólido. Los materiales para células solares, un nuevo material energético, han experimentado avances como las células solares compuestas multicapa de IBM, con eficiencias de conversión de hasta 40%. El hidrógeno, una fuente de energía eficiente y no contaminante, se enfrenta a importantes retos en su almacenamiento y transporte. Aproximadamente 50% de los fondos del Departamento de Energía de EE.UU. destinados a la investigación del hidrógeno se destinan a la tecnología de almacenamiento de hidrógeno.
El hidrógeno puede corroer los materiales, provocando fragilización y fugas, y supone un riesgo de explosión durante el transporte. Los materiales de almacenamiento de hidrógeno pueden formar hidruros con el hidrógeno, liberando hidrógeno al calentarse y recargándose después de agotarse. Los actuales materiales de almacenamiento de hidrógeno son principalmente compuestos metálicos, como LaNi5H y Ti1,2Mn1,6H3. La investigación sobre pilas de combustible de óxido sólido es muy activa y se centra en materiales como membranas electrolíticas sólidas, materiales para cátodos de pilas y membranas orgánicas de intercambio de protones para pilas de combustible de membrana de intercambio de protones.
(4) Materiales inteligentes
Los materiales inteligentes representan la cuarta generación de materiales después de los naturales, los polímeros sintéticos y los materiales diseñados artificialmente. Constituyen una dirección importante en el desarrollo moderno de nuevos materiales de alta tecnología. A nivel internacional, se han logrado numerosos avances técnicos en materiales inteligentes. Por ejemplo, la británica BAE Systems desarrolló sensores de alambre para comprobar la tensión y la temperatura en la piel de los aviones.
El Reino Unido también ha desarrollado una aleación con memoria de forma de respuesta rápida con una vida útil de un millón de ciclos y una gran potencia de salida, útil en frenos con tiempos de respuesta tan cortos como 10 minutos. Las aleaciones con memoria de forma se han aplicado con éxito en antenas de satélite y campos médicos, entre otros. Otros materiales inteligentes son los piezoeléctricos, los magnetostrictivos, los polímeros conductores, los fluidos electroreológicos y los magnetoreológicos, que sirven como componentes de accionamiento en diversas aplicaciones.
(5) Materiales magnéticos
Los materiales magnéticos se clasifican en blandos y duros (permanentes).
(1) Materiales magnéticos blandos
Los materiales magnéticos blandos se magnetizan y desmagnetizan fácilmente, perdiendo su magnetismo cuando se retira el campo magnético. Se caracterizan por su alta permeabilidad magnética (μ=B/H), por lo que se magnetizan con facilidad a gran intensidad en campos magnéticos, pero conservan poco magnetismo residual cuando se retira el campo.
Estos materiales se utilizan mucho en tecnología electrónica, sobre todo en aplicaciones de alta frecuencia como núcleos magnéticos, cabezales y núcleos de memoria, y en ingeniería eléctrica para transformadores e interruptores de relé. Los materiales magnéticos blandos más comunes son las aleaciones de hierro-silicio, las aleaciones de hierro-níquel y los metales amorfos. La aleación Fe-(3%-4%)Si, el material magnético blando más utilizado, se emplea en transformadores, motores y generadores de baja frecuencia.
Las aleaciones de hierro-níquel, como Permalloy (79%Ni-21), ofrecen una mayor permeabilidad magnética y menores pérdidas que las aleaciones de hierro-silicio y se utilizan en telecomunicaciones, ordenadores y sistemas de control. Los metales amorfos, que se diferencian de los metales típicos por su estructura no cristalina, están compuestos de Fe, Co, Ni y metaloides como B, Si.
Los metales amorfos, que se producen enfriando rápidamente el metal fundido para conseguir una estructura atómica no cristalina, presentan excelentes propiedades magnéticas y se utilizan en transformadores de bajo consumo, sensores magnéticos, cabezales de grabación y otros productos. Algunos metales amorfos también tienen una excelente resistencia a la corrosión, gran solidez y buena tenacidad.
(2) Materiales magnéticos permanentes (materiales magnéticos duros)
Los materiales magnéticos permanentes conservan su magnetismo tras la magnetización, incluso cuando se elimina el campo magnético externo. Se caracterizan por un elevado magnetismo residual y una alta coercitividad, lo que los hace adecuados para imanes permanentes utilizados en brújulas, instrumentos, micromotores, motores eléctricos, grabadoras, teléfonos, aplicaciones médicas, etc. Entre los materiales magnéticos permanentes se encuentran las ferritas y los imanes permanentes metálicos.
Las ferritas, muy utilizadas por su gran volumen, amplia aplicación y bajo coste, tienen propiedades magnéticas moderadas y son adecuadas para aplicaciones generales de imanes permanentes. Los imanes permanentes metálicos empezaron con acero con alto contenido en carbono pero evolucionaron hacia materiales de mayor rendimiento como las aleaciones Al-Ni-Co y Fe-Cr-Co; imanes de tierras raras, como las anteriores aleaciones de tierras raras-cobalto (Re-Co) (principalmente SmCo5 y Sm2Co17 fabricadas mediante pulvimetalurgia) y los imanes de tierras raras de niobio-hierro-boro (Nb-Fe-B), ampliamente utilizados. Los imanes Nb-Fe-B no sólo ofrecen un rendimiento superior, sino que además carecen del escaso elemento cobalto, convirtiéndose rápidamente en el representante de los imanes permanentes de alto rendimiento, utilizados en altavoces de alto rendimiento, contadores electrónicos de agua, instrumentos de resonancia magnética nuclear, micromotores, motores de arranque de automóviles, etc.
(6) Nanomateriales
La nanotecnología es un sistema integrado que combina alta tecnología y ciencia de vanguardia, y que consiste fundamentalmente en comprender y modificar la naturaleza a escala nanométrica manipulando y ordenando directamente átomos y moléculas para crear nuevos materiales. La nanotecnología abarca siete áreas: física de los nanosistemas, nanoquímica, ciencia de los nanomateriales, nanobiología, nanoelectrónica, nanofabricación y nanomecánica.
Los nanomateriales, denominados así en la década de 1980, son materiales sólidos compuestos por nanopartículas cuyo tamaño no supera los 100 nanómetros. La preparación y síntesis de nanomateriales sigue siendo el principal foco de investigación y, aunque se han logrado algunos avances en la síntesis de muestras, la producción a gran escala de muestras a granel sigue siendo un reto, por lo que el estudio de la preparación de nanomateriales es fundamental para su aplicación.
La industria de materiales es la industria básica de la economía nacional, y los nuevos materiales son los precursores del desarrollo de la industria de materiales.
Grafeno, nanotubos de carbono, aleaciones amorfas, metales espumados, líquidos iónicos... 20 nuevos materiales brindan oportunidades ilimitadas para el desarrollo de la industria de materiales.
Hoy en día, la revolución científica y tecnológica se desarrolla rápidamente, los nuevos productos materiales cambian cada día que pasa y el ritmo de la modernización industrial y la sustitución de materiales se acelera.
La tecnología de nuevos materiales se integra con la nanotecnología, la biotecnología y la tecnología de la información.
La integración estructural y funcional y los materiales funcionales son cada vez más inteligentes.
Las características ecológicas de estos materiales, bajos en carbono, verdes y reciclables, han atraído mucha atención.
En este artículo se han seleccionado 20 nuevos materiales basándose en los avances de la investigación de instituciones y empresas de investigación nacionales y extranjeras de renombre, en las reseñas de los medios científicos y tecnológicos y en la investigación de los puntos calientes de la industria.
A continuación se ofrece información detallada de los materiales pertinentes (sin ningún orden en particular).
Un gran avance:
Extraordinaria conductividad eléctrica, resistividad extremadamente baja, velocidad de migración de electrones extremadamente baja y extremadamente rápida, resistencia decenas de veces superior y excelente transmisión de la luz sobre el acero.
DDesarrollo Tríndete:
El Premio Nobel de Física de 2010 ha puesto de moda el grafeno en los mercados tecnológicos y de capitales en los últimos años.
En los próximos 5 años, el uso del grafeno crecerá explosivamente en los campos de las pantallas fotoeléctricas, semiconductores, pantallas táctiles, dispositivos electrónicos, baterías de almacenamiento de energía, pantallas, sensores, semiconductores, aeroespacial, militar, materiales compuestos y biomedicina.
Principales institutos de investigación (empresas):
Graphene Technologies, Angstron Materials, Graphene Square, Forsman Technology, etc.
Un gran avance:
Alta porosidad, baja densidad, peso ligero, baja conductividad térmica, excelentes propiedades de aislamiento térmico.
Tendencia de desarrollo:
Nuevos materiales con gran potencial.
Tienen un gran potencial en los campos de la conservación de la energía y la protección del medio ambiente, el aislamiento térmico de aparatos eléctricos y la construcción.
Principales institutos de investigación (empresas):
Fosman Technology, W.R. Grace, Fuji-Silysia, Japón, etc.
Un gran avance:
Alta conductividad eléctrica, alta conductividad térmica, alto módulo elástico, alta resistencia a la tracción, etc.
Tendencia de desarrollo:
Electrodos para dispositivos funcionales, portadores de catalizadores, sensores, etc.
Principales institutos de investigación (empresas):
Unidym, Inc., Toray Industries, Inc., Bayer Materials Science AG, Mitsubishi Rayon Co. Ltd., Forsman Technology, Suzhou First Element, etc.
Un gran avance:
Con propiedades ópticas lineales y no lineales, superconductividad de fullerenos de metales alcalinos, etc.
Tendencia de desarrollo:
En el futuro tiene importantes perspectivas en los campos de las ciencias de la vida, la medicina, la astrofísica, etc., y se espera que se utilice en dispositivos fotoeléctricos como convertidores ópticos, conversión de señales y almacenamiento de datos.
Principales institutos de investigación (empresas):
Universidad Estatal de Michigan, Xiamen Funa New Materials, etc.
Un gran avance:
Alta resistencia y tenacidad, excelente permeabilidad magnética y baja pérdida magnética, así como excelente flujo de líquido.
DDesarrollo Tríndete:
Puede utilizarse en transformadores de alta frecuencia y bajas pérdidas, piezas estructurales de equipos terminales móviles, etc.
Principales institutos de investigación (empresas):
Liquidmetal Technologies, Inc., Instituto de Investigación de Metales, Academia China de Ciencias, BYD, etc.
Un gran avance:
Peso ligero, baja densidad, alta porosidad y gran superficie específica.
DDesarrollo Tríndete:
Tiene conductividad y puede sustituir campos de aplicación en los que los inorgánicos nomateriales metálicos no puede conducir la electricidad.
Tiene un gran potencial en el campo del aislamiento acústico y la reducción del ruido.
Principales institutos de investigación (empresas):
Alcan (Aluminum Association,EE.UU.), Río Tinto, Symat, Norsk Hydro, etc.
Un gran avance:
Con alta estabilidad térmica, amplio rango de temperatura del líquido, ácido y álcali ajustables, polaridad, capacidad de coordinación, etc.
Tendencia de desarrollo:
Tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de la industria química verde, así como en biología y catálisis.
Principales institutos de investigación (empresas):
Solvent Innovation, BASF, Instituto de Física de Lanzhou, Academia China de Ciencias, Universidad de Tongji, etc.
Un gran avance:
Tiene una buena biocompatibilidad, capacidad de retención de agua y una amplia gama de estabilidad de pH.
También tiene una estructura de nanorred y altas propiedades mecánicas.
DDesarrollo Tríndete:
Tiene grandes perspectivas en biomedicina, potenciador, industria papelera, purificación, alimentos compuestos conductivos e inorgánicos, así como compuesto magnético industrial.
Principales institutos de investigación (empresas):
Cellu Force (Canadá), US Forest Service, Innventia (Suecia), etc.
Un gran avance:
La perocakita Namometer posee una magnetorresistencia gigante, una conductividad iónica elevada y desempeña un papel catalítico en la precipitación y la reducción del oxígeno.
DDesarrollo Tríndete:
En el futuro tendrá un enorme potencial en los campos de la catálisis, el almacenamiento, los sensores y la absorción de la luz.
Principales institutos de investigación (empresas):
Epry, AlfaAesar, etc.
Un gran avance:
Cambiando los métodos tradicionales de procesamiento industrial se puede conseguir rápidamente la formación de estructuras complejas.
Tendencia de desarrollo:
El revolucionario método de moldeo tiene grandes perspectivas en el campo del moldeo de estructuras complejas y el moldeo de procesamiento rápido.
Principales institutos de investigación (empresas):
Object, 3DSystems, Stratasys, Huashu Hi-Tech, etc.
Un gran avance:
Cambia las características rígidas y frágiles del vidrio tradicional y hace realidad la revolucionaria innovación de la flexibilidad del vidrio.
Tendencia de desarrollo:
Las perspectivas serán enormes en el campo de las futuras pantallas flexibles y los dispositivos plegables.
Principales institutos de investigación (empresas):
Corning, Alemania SCHOTT, etc.
Un gran avance:
El autoensamblaje de moléculas materiales hará realidad la "inteligencia" del propio material.
Cambiar el método anterior de preparación del material para que éste adquiera una forma y una estructura determinadas de forma espontánea.
Tendencia de desarrollo:
Cambiar los métodos tradicionales de preparación y reparación de materiales tiene grandes perspectivas en el campo de los dispositivos moleculares, ingeniería de superficies y la nanotecnología.
Principales institutos de investigación (empresas):
Universidad de Harvard, etc.
Un gran avance:
Los plásticos pueden degradarse de forma natural y las materias primas proceden de recursos renovables, lo que cambia la dependencia de los plásticos tradicionales de recursos fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón, y reduce también la contaminación ambiental.
Tendencia de desarrollo:
En el futuro sustituirá a los plásticos tradicionales y tiene grandes perspectivas.
Principales institutos de investigación (empresas):
Natureworks, Basf, Kaneka, etc.
Un gran avance:
Este tipo de materiales tienen alta resistencia, baja densidad y excelente resistencia a la corrosión.
Y también tienen perspectivas ilimitadas en los campos aeronáutico y civil.
Tendencia de desarrollo:
En el futuro, los materiales tendrán una amplia gama de aplicaciones potenciales en cuanto a ligereza, alta resistencia y resistencia a la corrosión.
Principales institutos de investigación (empresas):
Instituto de Tecnología de Harbin.
Un gran avance:
Tiene propiedades físicas que no tienen los materiales convencionales, como permeabilidad negativa y permitividad negativa.
Tendencia de desarrollo:
Ha cambiado el concepto tradicional de transformación según la naturaleza del material.
En el futuro, las características de los materiales podrán diseñarse en función de las necesidades, y el potencial será infinito y revolucionario.
Principales institutos de investigación (empresas):
Boeing, Kymeta, Instituto de Investigación Shenzhen Guangqi, etc.
Un gran avance:
En el estado superconductor, el material tiene resistencia cero, no pierde corriente y presenta propiedades antimagnéticas en un campo magnético.
Tendencia de desarrollo:
Si la tecnología superconductora de alta temperatura se abre paso en el futuro, se espera que resuelva los problemas de transmisión de energía pérdida, calentamiento de dispositivos electrónicos y nueva tecnología de suspensión magnética de transmisión ecológica.
Principales institutos de investigación (empresas):
Sumitomo Japón, Bruker Alemania, Academia China de las Ciencias, etc.
Un gran avance:
Una vez preformado, tras ser forzado a deformarse por las condiciones externas, se procesa bajo determinadas condiciones y se le devuelve su forma original para realizar el diseño y la aplicación de la deformación reversible del material.
Tendencia de desarrollo:
Tiene un gran potencial en tecnología espacial, equipos médicos, equipos mecanoelectrónicos y otros campos.
Principales institutos de investigación (empresas):
Youyan Nuevos materiales, etc.
Un gran avance:
Bajo la acción del campo magnético, puede producir elongación o compresión, y realizar la interacción entre la deformación del material y el campo magnético.
Tendencia de desarrollo:
Se utiliza ampliamente en dispositivos estructurales inteligentes, dispositivos de absorción de impactos, estructuras de conversión de energía, motores de alta precisión y otros campos, y tiene mejores prestaciones que la cerámica piezoeléctrica en algunas condiciones.
Principales institutos de investigación (empresas):
ETREMA, American, British Rare Earth Products Company, Japan Sumitomo Light Metal Company, etc.
Un gran avance:
Estado líquido, que combina las propiedades magnéticas de los materiales magnéticos sólidos y la fluidez de los líquidos.
Tiene características y aplicaciones que no tienen los materiales magnéticos a granel tradicionales.
Tendencia de desarrollo:
Se utiliza en los campos del sellado magnético, la refrigeración magnética, la bomba de calor magnética, etc., y cambia la refrigeración sellada tradicional y otros métodos.
Principales institutos de investigación (empresas):
American ATA Applied Technology Corporation, Japan Panasonic, etc.
Un gran avance:
Puede percibir los cambios del entorno y responder a ellos, y tiene características biológicas de respuesta similares.
Tendencia de desarrollo:
El ciclo de expansión-contracción del gel polimérico inteligente puede utilizarse para válvulas químicas, separación por adsorción, sensores y materiales de memoria.
La energía proporcionada por el ciclo se utiliza para diseñar el "motor químico".
La capacidad de control de la malla es adecuada para sistemas inteligentes de liberación de fármacos, etc.
Principales institutos de investigación (empresas):
Universidades estadounidenses y japonesas.
Introducción:
La película holográfica es una aplicación innovadora de la tecnología de los hologramas. Se trata de una película de proyección patentada que, por primera vez a escala internacional, permite ver imágenes directamente por delante y por detrás, en múltiples ángulos, incluidos 360 grados, independientemente de las condiciones de iluminación.
La película holográfica ofrece pantallas aéreas dinámicas con imágenes cristalinas, al tiempo que permite a los espectadores ver el fondo a través de la película. Puede combinarse con software interactivo para crear imágenes tridimensionales interactivas que sumerjan al público en una experiencia espacial cautivadora.
Con ventajas inigualables como alta definición, resistencia a la luz brillante, ultrafino y propiedades antienvejecimiento, está llamado a convertirse en uno de los materiales más prometedores del futuro.
Tendencias futuras:
Dada su capacidad para proporcionar visualizaciones aéreas dinámicas e imágenes nítidas, al tiempo que permite al público ver a través del fondo e interactuar con imágenes tridimensionales, la película holográfica presenta numerosas ventajas sin parangón. Se sitúa en la vanguardia de la innovación material, destinada a atraer más investigación científica.
Las predicciones sobre las tendencias futuras en el desarrollo de películas holográficas incluyen dos aspectos principales:
En primer lugar, componentes nanoópticos de nivel molecular, centrados en el Cristal de Filtro de Color Holográfico (HCFC) y que integran la nanotecnología con un enfoque multidisciplinar que combina la ciencia de los materiales, la óptica y la ciencia de los polímeros.
En segundo lugar, la película incorporará estructuras ópticas de precisión avanzadas dentro de su diseño ligero, lo que garantizará imágenes de alta definición y luminosidad superiores.
La excepcional claridad del material y su diseño minimalista y elegante contribuyen a su uso en dispositivos electrónicos y películas ópticas. El desarrollo de la tecnología de películas holográficas es el centro de atención de muchos países y, sin exagerar, encierra el futuro. La nación que primero domine y utilice esta tecnología liderará el camino hacia la era tecnológica avanzada.
Introducción:
El hidrógeno metálico es un estado conductor del hidrógeno líquido o sólido que se forma a presiones de millones de atmósferas. Su conductividad eléctrica es similar a la de los metales, de ahí el nombre de hidrógeno metálico. Como material de alta densidad y almacenamiento de alta energía, se predijo anteriormente que el hidrógeno metálico sería un superconductor a temperatura ambiente.
Contiene una enorme cantidad de energía, entre 30 y 40 veces superior a la de los explosivos TNT convencionales. El 26 de enero de 2017, la revista Science informó de que el laboratorio de la Universidad de Harvard había creado con éxito hidrógeno metálico. Sin embargo, el 22 de febrero de 2017, debido a un error de manipulación, desapareció la única muestra de hidrógeno metálico del mundo.
Teóricamente, la obtención de hidrógeno metálico a presión extremadamente alta es ciertamente posible, pero los científicos necesitan más investigación para adquirir muestras. La mayoría de los superconductores conocidos requieren refrigeración con helio líquido (-269 °C) o nitrógeno líquido (-196 °C), lo que limita el desarrollo de la tecnología superconductora.
A diferencia de los químicos, los astrónomos denominan metales a todos los elementos excepto el hidrógeno y el helio. En condiciones de alta temperatura y alta presión, el hidrógeno gaseoso también puede convertirse en hidrógeno metálico conductor.
Por ejemplo, la capa exterior de Júpiter está formada por 1.000 kilómetros de hidrógeno molecular gaseoso, bajo el cual se encuentra una capa de 24.000 kilómetros de hidrógeno molecular líquido, seguida de una capa de 45.000 kilómetros de hidrógeno metálico líquido.
En 1936, el científico estadounidense Wigner calculó por primera vez la presión a la que el hidrógeno se transforma en un metal, sugiriendo que la presión crítica para esta transformación oscilaba entre uno y diez millones de atmósferas.
Tendencias futuras de desarrollo:
La temperatura crítica de superconducción del hidrógeno metálico, que es la temperatura máxima a la que presenta superconductividad, oscila entre -223°C y -73°C. Podría utilizarse a temperaturas cercanas a la del dióxido de carbono sólido (-78,45 °C), lo que supondría un avance significativo en la tecnología superconductora.
Dado que el hidrógeno metálico es un material de alta densidad, su uso como combustible reduciría enormemente el tamaño y el peso de los cohetes, lo que supondría un salto monumental en la exploración espacial. La llegada del hidrógeno metálico, similar al nacimiento de la máquina de vapor, desencadenará una era revolucionaria en el campo de la ciencia y la tecnología.
El hidrógeno metálico existe en estado metaestable y podría utilizarse para crear "jaulas magnéticas" que confinen el plasma, conteniendo el abrasador gas ionizado. Las reacciones controladas de fusión nuclear convertirían entonces la energía nuclear en energía eléctrica, ofreciendo una fuente de energía barata y limpia. Esta energía permitiría construir "fábricas que imitaran al sol" en la Tierra, resolviendo en última instancia la crisis energética de la humanidad.
Resumen: Un supersólido es en realidad algo parecido a un superfluido, que denota una sustancia sólida que posee propiedades de superfluido, combinando esencialmente las características de "superfluido + sólido". En términos sencillos, un supersólido no sólo mantiene la disposición atómica ordenada típica de un estado cristalino, sino que además fluye sin fricción, como un superfluido.
A temperaturas extremadamente bajas, las vacantes de la estructura cristalina de un supersólido pueden agruparse y fluir libremente por todo el material. Si se coloca un objeto sólido dentro de las vacantes de un lado del supersólido, atravesará el supersólido con estas vacantes, moviéndose tan libremente como si atravesara paredes.
Tendencias futuras: Este novedoso estado de la materia sólo puede existir en condiciones de frío extremo y vacío ultraalto, lo que indica que, por el momento, no podemos aplicarlo ampliamente. Sin embargo, una comprensión más profunda de este estado aparentemente paradójico de la materia podría mejorar nuestra comprensión de las propiedades de los superfluidos y los superconductores, lo que supondría un avance significativo en sectores como los imanes superconductores, los sensores superconductores y la transmisión de energía.
En el futuro, las vacantes de un supersólido se convertirán en entidades coherentes que podrán moverse sin obstáculos dentro del resto del sólido, de forma similar a un superfluido. El condensado de Bose-Einstein es un peculiar estado de la materia que se produce a temperaturas ultrafrías, donde las propiedades cuánticas de los átomos se vuelven extremadamente pronunciadas, exhibiendo un significativo comportamiento ondulatorio.
Visión general:
La esponja de madera, creada mediante el tratamiento químico de la madera para eliminar la hemicelulosa y la lignina, es excelente para absorber el aceite del agua. Puede absorber hasta 16-46 veces su propio peso en aceite y reutilizarse hasta 10 veces. Esta innovadora esponja supera a todas las demás esponjas y absorbentes actualmente en uso en términos de capacidad, calidad y reutilización.
Desarrollo futuro:
Los vertidos de petróleo y productos químicos han causado estragos sin precedentes en las masas de agua de todo el mundo. Como solución ecológica para limpiar los océanos, la esponja de madera presenta un medio eficaz para abordar este problema.
Visión general:
Los cristales temporales, también conocidos como cristales espacio-temporales, son cristales de cuatro dimensiones que presentan estructuras periódicas tanto en el espacio como en el tiempo. Normalmente, nos encontramos con tres estados fundamentales de la materia: sólido, líquido y gaseoso.
Sin embargo, a medida que la ciencia ha avanzado, el concepto de estados de la materia se ha ampliado para incluir el plasma, los condensados de Bose-Einstein, los fluidos supercríticos, etc. Los cristales de tiempo representan un nuevo estado de la materia y una fase de no equilibrio que rompe la simetría temporal traslacional.
El concepto de cristales de tiempo fue propuesto por primera vez por el premio Nobel Frank Wilczek en 2012. Estamos familiarizados con los cristales tridimensionales, como el hielo y los diamantes, estructuras geométricamente simétricas creadas por la disposición periódica de partículas microscópicas en el espacio.
Mientras enseñaba a sus alumnos, Wilczek se preguntaba si el concepto de los cristales tridimensionales podría extenderse al ámbito tetradimensional del espacio-tiempo, permitiendo a la materia mostrar disposiciones periódicas a lo largo del tiempo.
Es decir, los cristales de tiempo cambian de estado en diferentes momentos, y estos cambios son cíclicos. Por ejemplo, un cristal de tiempo puede ser azúcar en un segundo, azúcar moreno en el siguiente y volver a ser azúcar en el tercer segundo.
Tendencias futuras:
En septiembre de 2021, cuatro científicos teóricos -Norman Yao, Vedika Khemani, Dominic Else y Masaki Watanabe- fueron galardonados conjuntamente con el "Breakthrough Prize in Fundamental Physics", lo que supone un reconocimiento más amplio para el nuevo campo de los cristales de tiempo discreto.
A finales de 2021, el experimento del cristal de tiempo discreto realizado por el equipo de computación cuántica de Google fue nombrado uno de los principales avances físicos del año por la American Physical Society (APS) Physics y el Institute of Physics (IOP) Physics World.
La investigación sobre cristales de tiempo discreto ha revolucionado nuestra comprensión de los sistemas accionados periódicamente, la localización de muchos cuerpos, la pretermalización y los procesos de termalización cuántica. También ha animado a un amplio abanico de investigadores de diversos campos a profundizar en esta área.
La evolución de los cristales de tiempo discreto demuestra que la exploración científica es a menudo un reto que exige refutaciones y debates académicos rigurosos. En el ámbito del descubrimiento científico, los errores perspicaces son más valiosos que las verdades mediocres, ya que pueden albergar nuevas ideas.
Los cristales de tiempo se han beneficiado de los rápidos avances de la tecnología de computación cuántica, que ha permitido su rápido desarrollo en lugar de su oscuridad.
Introducción:
La empresa canadiense de biotecnología Hyperstealth Biotechnology ha desarrollado un material avanzado conocido como "Quantum Stealth" (tejido invisible). Este tejido, bautizado como "camuflaje Quantum Stealth", consigue la invisibilidad doblando las ondas de luz.
Tendencias futuras:
Este material podría utilizarse para crear capas de invisibilidad, ayudando a los soldados en el campo de batalla a llevar a cabo misiones muy difíciles mediante la ocultación. El Director General de la empresa, Guy Cramer, declaró: "El material 'Quantum Stealth' no sólo puede ayudar a las fuerzas especiales a llevar a cabo incursiones durante el día, sino que también puede facilitar la huida de un soldado cuando se encuentre con un peligro inesperado.
Además, este material es prometedor para su aplicación en la próxima generación de aviones, submarinos y tanques furtivos, permitiéndoles alcanzar una verdadera invisibilidad y permitiendo a las tropas golpear al enemigo sin ser vistas".
Visión general: Este material, compuesto de polímeros y agua, es conductor y permanece perpetuamente húmedo.
Perspectivas de futuro: En el futuro, este material tiene potencial para utilizarse en la creación de piel artificial y robots flexibles con capacidades biomiméticas.
Introducción:
Los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) poseen una estructura bidimensional simple y son materiales superinnovadores a la par que el grafeno. Suelen estar compuestos por un elemento metálico de transición M (como molibdeno, wolframio, niobio, renio, titanio, etc.) y un elemento calcógeno X (como azufre, selenio, telurio, etc.).
Debido a su coste relativamente bajo y a su facilidad de fabricación en capas extremadamente finas y estables, junto con sus propiedades semiconductoras, los TMDC han surgido como materiales ideales en el campo de la optoelectrónica.
Tendencias futuras de desarrollo:
Si se inyectan electrones y huecos en los TMDC, se recombinarán al encontrarse y emitirán fotones. Esta capacidad de conversión fotónica-electrónica es prometedora para los TMDC en el ámbito de la transmisión óptica de información, donde podrían servir como fuentes de luz o láseres en miniatura de baja potencia.
Los TMDC también pueden combinarse con diversos materiales bidimensionales para crear heterouniones con problemas mínimos de desajuste de red. Se espera que estos dispositivos fotónicos de heterounión ofrezcan un rendimiento superior en una gama espectral más amplia.
Visión general:
Los materiales de ebullición criogénica son sustancias que se comportan de forma opuesta a los materiales de ebullición térmica, pasando de sólido a líquido y a gas a medida que disminuye la temperatura. Estos materiales permanecen sólidos a temperaturas altas y ambientales, y su resistencia aumenta a medida que sube la temperatura, pudiendo soportar temperaturas superiores a 10.000 grados Celsius.
Se licúan a -121°C y se convierten en gas a -270°C. Los materiales de ebullición criogénica se consideran supermateriales. Comparados con los materiales resistentes a altas temperaturas y superconductores más avanzados que se están desarrollando actualmente, presentan una resistencia a altas temperaturas y una superconductividad superiores.
Cuando se dopan con materiales de ebullición térmica inertes, se puede mejorar la resistencia a bajas temperaturas y a temperaturas ultrabajas de los materiales de ebullición criogénica, lo que proporciona una resistencia excepcional en un rango de temperaturas más amplio.
Los materiales metálicos criogénicos presentan propiedades superconductoras a temperatura ambiente, lo que elimina la necesidad de utilizar entornos de bajo coste y baja temperatura. Por tanto, encierran un inmenso potencial para la investigación y las aplicaciones prácticas.
Tendencias futuras de desarrollo:
Los analistas del sector sugieren que los materiales de ebullición criogénica podrían encontrar un uso generalizado en la industria aeroespacial, la supermaquinaria y los dispositivos electrónicos. Por ejemplo, en el sector aeroespacial, estos materiales podrían utilizarse para fabricar motores y carcasas de naves espaciales de rendimiento superior.
Son ideales para naves espaciales que viajan a la tercera velocidad cósmica o superior, donde los componentes deben mantener una dureza ultraelevada bajo temperaturas extremas generadas por el viaje a alta velocidad, y seguir funcionando eficazmente en las condiciones frías y ultrafrías del espacio.
Los materiales criogénicos en ebullición podrían impulsar una revolución tecnológica en la industria aeroespacial. Sin embargo, su síntesis o extracción de la Luna presenta importantes retos, y queda un largo camino por recorrer antes de que estos materiales puedan aplicarse.
Introducción:
Los fluidos magnetoreológicos, también conocidos como fluidos magnéticos, ferrofluidos o simplemente magfluidos, representan una clase innovadora de materiales funcionales que combinan la fluidez de los líquidos con las propiedades magnéticas de los imanes sólidos. Compuestos por partículas sólidas magnéticas a escala nanométrica, líquidos portadores y tensioactivos, estos líquidos coloidales estables no muestran atracción magnética en reposo.
Sin embargo, muestran propiedades magnéticas cuando se exponen a un campo magnético externo. Estas características únicas han propiciado su amplia aplicación y su importante valor académico.
Los fluidos magnetoreológicos producidos a partir de polvos nanométricos y de aleación demuestran un rendimiento superior y se utilizan ampliamente en entornos exigentes para juntas de fluidos magnéticos, sistemas de amortiguación, dispositivos médicos, modulación del sonido, pantallas ópticas y procesos de separación magnetoreológica.
Tendencias futuras:
En los últimos años se han producido numerosos avances científicos en la aplicación de materiales magnetoreológicos en nuevas fronteras como la aeroespacial, la defensa, la sanidad y el transporte. A medida que avanza la tecnología, estas aplicaciones se amplían, y la demanda de conocimientos científicos y técnicos relacionados no deja de aumentar.
Reconocidos como uno de los materiales con mayor potencial de desarrollo futuro, los fluidos magnetoreológicos han acaparado la atención internacional.
Aunque China entró más tarde que otros en el campo de la investigación magnetoreológica, está ganando impulso rápidamente. Dado que el monopolio de las tecnologías de aplicación de gama alta que antes tenían países desarrollados como el Reino Unido y EE.UU. está disminuyendo gradualmente, se prevé que la competencia en la investigación de materiales magnetoreológicos se intensificará en los próximos años.
Introducción:
Este material de recubrimiento es una aleación vítrea con base de hierro diseñada específicamente para brocas y herramientas de mandrinado industriales, que ofrece una mayor resistencia a la fractura bajo cargas pesadas. Es significativamente más rentable que los materiales convencionales, como las aleaciones duras de carburo de tungsteno y cobalto, y también mejora la eficacia de la perforación de túneles gracias a su mayor vida útil.
Tendencias futuras:
Este material tiene aplicaciones potenciales en industrias como la fabricación y la construcción en el futuro.
Visión general:
Los nanodots de perovskita, conocidos por su colosal magnetorresistencia, alta conductividad iónica, propiedades electrocatalíticas y actividad redox, encierran un enorme potencial para aplicaciones en absorción, almacenamiento, catálisis y detección de la luz.
Las perovskitas son materiales estructurales cristalinos y representan una nueva clase de materiales funcionales. En la actualidad, sus problemas de estabilidad suponen una barrera importante para su desarrollo. Sin embargo, la investigación de nuevas estructuras de perovskita está avanzando y los nanodots de perovskita están recibiendo una atención considerable.
Tendencias futuras:
Según el informe "China Perovskite Nanodot Market Development Status and Industry Outlook Forecast Research Report", publicado por la red de estudios de mercado, un equipo de la Universidad Tecnológica de Queensland (QUT), en Australia, está integrando nanopuntos de perovskita, fabricados a partir de cabello humano, en células solares.
Estos nanopuntos forman una capa protectora en la superficie de la perovskita, protegiendo el material de diversos factores externos, mejorando su estabilidad y aumentando la eficiencia de conversión fotovoltaica. Esto también puede reducir los costes de producción.
Estos avances son cruciales para el desarrollo a gran escala de células solares de perovskita, lo que indica un futuro prometedor para los nanodots de perovskita.
Introducción:
Los metales microrreticulares se construyen a partir de diminutos tubos huecos interconectados para formar una estructura, con un diámetro de cada tubo de aproximadamente 100 micrómetros y un grosor de pared de sólo 100 nanómetros. Debido a su naturaleza hueca, el interior del metal está compuesto por aire 99,99%.
Este metal está compuesto principalmente de aire ligero, lo que le permite posarse sobre un diente de león o flotar hasta el suelo como una pluma desde una altura. Muchos podrían cuestionar la resistencia de un metal tan ligero, sospechando que es extremadamente frágil. Pero no es así. Los metales microrreticulares son excepcionalmente fuertes y poseen una gran resistencia a la compresión.
Tendencias futuras de desarrollo:
Como electrodos de baterías y portadores de catalizadores, los metales microrreticulares están llamados a revolucionar el futuro de la aviación y la fabricación de naves espaciales. Prometen reducir la masa de los vehículos de exploración del espacio profundo de la NASA en 40%, algo crucial para las futuras misiones a Marte y más allá.
Visión general:
El estaneno, también conocido como capa única de átomos de estaño, presenta una estructura bidimensional en forma de panal similar a la del grafeno, lo que lo convierte en un novedoso material cuántico. Su estructura cristalina se basa en el alfa-estaño similar al diamante y, debido a su configuración sin capas, no puede producirse mediante exfoliación mecánica, lo que supone barreras tecnológicas de producción extremadamente altas.
Comparado con otros materiales bidimensionales como el grafeno, el siliceno y el germaneno, el estaneno tiene enlaces más largos y una conductividad eléctrica superior, y está llamado a convertirse en el primer supermaterial del mundo capaz de alcanzar una conductividad eléctrica de 100,0% a temperatura ambiente.
Tendencias futuras:
Los analistas del sector indican que, como material bidimensional emergente, el estaneno tiene amplias perspectivas de aplicación. Con la innovación continua y los avances en la tecnología de investigación y desarrollo, se espera que se amplíe la gama de aplicaciones del estaneno, y es probable que la industria alcance el desarrollo comercial.
Las barreras técnicas de la industria del estaneno son elevadas y, en los últimos años, numerosos equipos de investigación chinos han logrado avances significativos en el estudio de los materiales de estaneno, lo que ha repercutido positivamente en el crecimiento de la industria.
Visión general:
El superglue molecular es un adhesivo descubierto en 2013 por Mark Howarth y su equipo de investigación del Departamento de Bioquímica de la Universidad de Oxford, derivado de proteínas liberadas por la bacteria Streptococcus pyogenes durante la invasión celular.
Inspirado en las proteínas emitidas por el Streptococcus pyogenes, el adhesivo está formado por dos componentes proteínicos que pueden separarse pero volver a unirse como el pegamento al entrar en contacto. Conocido como superglue molecular, este adhesivo presenta una gran fuerza de unión, una excelente tolerancia a las temperaturas extremas y resistencia en entornos ácidos y otros ambientes agresivos.
Perspectivas de futuro:
De cara al futuro, este material tiene aplicaciones potenciales en el diagnóstico del cáncer; el superpegamento molecular puede adherirse a metales, plásticos y otras sustancias diversas, superando el problema habitual de la escasa adherencia entre los revestimientos convencionales y los metales.
Introducción:
Los metamateriales, término surgido en el siglo XXI, hacen referencia a materiales compuestos o estructuras especiales que poseen propiedades físicas extraordinarias que no se encuentran en los materiales convencionales. Esto se consigue mediante un diseño estructural ordenado de dimensiones físicas clave.
Los metamateriales se entrecruzan con numerosas disciplinas como la física, la química, la optoelectrónica, la ciencia de los materiales, la ciencia de los semiconductores y la fabricación de equipos, lo que los sitúa en la vanguardia de la investigación mundial con importancia estratégica.
La prestigiosa revista Science incluyó los metamateriales entre los diez avances científicos más importantes de la primera década de este siglo, mientras que la revista Materials Today también los saludó como uno de los diez avances más significativos de la ciencia de los materiales en los últimos cincuenta años.
Tendencias futuras:
Los metamateriales están a punto de convertirse en un nuevo material con un potencial ilimitado. Sin embargo, aún están lejos de una verdadera industrialización a gran escala y quedan muchos retos por superar. Estos retos orientarán la investigación principal sobre metamateriales, lo que podría conducir a nuevos avances y logros tecnológicos en este campo.
Visión general:
El cuanto es un concepto esencial de la física moderna, que representa la unidad fundamental más pequeña de materia y energía. El metal cuántico es un metal compuesto por las unidades de partículas más pequeñas y es un material bidimensional único. Posee las características de los metales ordinarios, así como propiedades aislantes y superconductoras.
Bajo campos magnéticos moderados, se comporta como un metal cuántico, transiciona a un aislante bajo campos magnéticos fuertes y se convierte en un superconductor por debajo de -272°C. Esto demuestra el potencial de la investigación sobre los estados bidimensionales de los metales cuánticos.
Tendencias futuras:
Los analistas del sector indican que la superconductividad es una dirección importante para la investigación de los metales cuánticos. Los superconductores, que presentan una resistencia eléctrica nula por debajo de su temperatura crítica, pueden transmitir electricidad sin pérdidas y tienen amplias aplicaciones en electrónica, telecomunicaciones, energía, transporte, medicina, industria nuclear, aeroespacial, etc.
En 2021, el mercado mundial de superconductores se valoró en aproximadamente $7,6 mil millones y sigue mostrando una tendencia de crecimiento. Los superconductores pueden clasificarse en superconductores de baja y alta temperatura, y los primeros ocupan una posición dominante y tienen un fuerte impulso de desarrollo. El metal cuántico, como tipo de superconductor de baja temperatura, tiene un valor sustancial en investigación y aplicación.
Introducción:
El grafeno de boro, un material bidimensional, es una estructura atómica plana de una sola capa similar al grafeno, compuesta por el elemento boro. Esta fina película tiene un solo átomo de grosor.
Sintetizado artificialmente, se prevé que el grafeno de boro tenga una gran variedad de estructuras, posea propiedades únicas y muestre muchas características metálicas, sobre todo propiedades electrónicas excepcionales. Representa una nueva clase de materiales bidimensionales.
Tendencias futuras:
Los analistas del sector sugieren que, para impulsar los avances tecnológicos en la industria, existe un gran interés por la investigación y la aplicación de nuevos materiales en el mercado mundial.
La inversión de gobiernos y capital en la investigación de nuevos materiales no deja de aumentar, y se están desarrollando y comercializando a un ritmo acelerado nuevos materiales de alto rendimiento. Como nuevo material bidimensional, el grafeno de boro tiene excelentes propiedades electrónicas y un enorme potencial de crecimiento en sectores como la electrónica y la energía.
A corto plazo, su mercado de aplicaciones aún no se ha formado debido a que todavía se encuentra en fase de investigación. Sin embargo, a largo plazo, en comparación con el grafeno, tiene un importante potencial de mercado.
Visión general:
El cemento programable, mediante la gestión de la microestructura de las partículas de cemento, programa estas partículas para formar hormigón especializado de alta densidad y baja porosidad. Esto mejora la resistencia del hormigón, su impermeabilidad y su resistencia a la corrosión.
El cemento programable es un tipo de cemento innovador y de alta tecnología. No sólo mejora el rendimiento general, sino que también reduce significativamente los daños medioambientales durante su producción y aplicación.
Tendencias futuras de desarrollo:
Los analistas del sector indican que China tiene actualmente un menor compromiso con la investigación del cemento programable en comparación con Estados Unidos. Sin embargo, como el país pretende pasar de ser un gigante manufacturero a una potencia manufacturera y alcanzar la neutralidad de carbono y los objetivos de desarrollo sostenible, el gobierno chino está promoviendo activamente la investigación de nuevos materiales de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente.
En el futuro, se espera que las inversiones en investigación de nuevos materiales de construcción en China aumenten constantemente, y es probable que crezcan los logros en la investigación del cemento programable.
Visión general:
El platino ultrafino es un método novedoso para depositar películas finas de platino de forma rápida y económica, lo que reduce significativamente la cantidad de metal necesaria para los catalizadores de las pilas de combustible y, por tanto, su coste.
Perspectivas de futuro:
Este material podría emplearse en el futuro en campos como las pilas de combustible de hidrógeno.
Visión general:
Las aleaciones de platino están compuestas por platino mezclado con otros metales como paladio, rodio, itrio, rutenio, cobalto, osmio y cobre. Como materiales funcionales, se utilizan en la medición de temperatura, como catalizadores, para contactos eléctricos, materiales de electrodos, materiales elásticos y materiales magnetohidrodinámicos.
Las aleaciones de platino para la medición de la temperatura presentan una gran estabilidad termoeléctrica y precisión a altas temperaturas, principalmente en los sistemas platino-rodio, platino-molibdeno y platino-cobalto. Las aleaciones de platino y rodio presentan una excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas y estabilidad química.
Los termopares de aleación de platino-molibdeno se utilizan para mediciones de alta temperatura en vacío o atmósferas inertes y campos nucleares. Las aleaciones de platino-cobalto, utilizadas en termómetros de resistencia, rinden con gran precisión y sensibilidad por encima de 20K.
Los catalizadores de aleación de platino son el único material utilizado en el proceso de oxidación del amoníaco para la producción de ácido nítrico, y consisten principalmente en mallas de aleación de platino-rodio o platino-rodio-paladio.
Tendencias futuras:
Las aleaciones de platino tienen una amplia gama de aplicaciones en materiales de deformación a alta temperatura, materiales para bobinado de potenciómetros de precisión, materiales médicos, joyería y moneda, con un importante potencial de desarrollo futuro.
Visión general:
Los materiales autorreparables, como su nombre indica, son capaces de reparar automáticamente los daños sin necesidad de una intervención importante. Esta propiedad no sólo prolonga la vida útil de los artículos, sino que también garantiza su seguridad e integridad al tiempo que reduce los costes de mantenimiento.
La investigación sobre materiales autorreparables comenzó en los años 90 en el campo del hormigón arquitectónico. Sin embargo, hasta 2001 no se lograron avances significativos, cuando el electroquímico de fama mundial Scott White y su equipo publicaron un artículo en Nature. Desarrollaron materiales poliméricos autorreparadores incrustando microcápsulas rellenas de agentes curativos en una resina epoxi que contenía un catalizador, lo que atrajo la atención internacional sobre este campo.
Tendencias futuras:
Con el rápido avance de la tecnología de autorreparación, diversos materiales autorreparables están a punto de encontrar aplicaciones más amplias en sectores como la construcción, la automoción, la industria aeroespacial, la aviación y la electrónica. Su uso reviste gran importancia para la conservación de los recursos y la consecución de un desarrollo sostenible.
Visión general:
Este innovador revestimiento puede autoajustar la transparencia del cristal. A temperaturas superiores a 67ºC, este revestimiento transparente se transforma en una superficie reflectante con acabado de espejo para desviar la luz solar.
Perspectivas de futuro:
Este material tiene aplicaciones potenciales en la construcción, el transporte y otros sectores.
Visión general:
Los materiales biomiméticos se desarrollan para emular diversas características o rasgos de los organismos vivos. Los materiales artificiales diseñados y fabricados para imitar los modos operativos de los sistemas vivos y los principios estructurales de los materiales biológicos se conocen como materiales biomiméticos.
Los plásticos biomiméticos no sólo poseen una resistencia muy superior a la de los plásticos técnicos, sino que también presentan una tenacidad y una resistencia a la propagación de grietas notables. Experimentan cambios dimensionales mínimos en un intervalo de temperaturas de -130°C a 150°C y, a temperatura ambiente, su coeficiente de expansión térmica es sólo una décima parte del de los plásticos convencionales.
Tendencias futuras:
A medida que se acelera la urbanización en nuestro país, las cuestiones relativas a la estabilidad social y la seguridad urbana pasan cada vez más a primer plano. La tecnología de los plásticos biomiméticos es un factor clave para el desarrollo de infraestructuras. Por ello, con el avance de las tecnologías socioeconómicas y de la información, la aplicación de los plásticos biomiméticos está llamada a convertirse en una nueva tendencia en el futuro.
Introducción:
Los cristales fotónicos son nanoestructuras ópticas periódicas que afectan al movimiento de los fotones del mismo modo que las redes iónicas influyen en los electrones de los sólidos. Se dan de forma natural, manifestándose como coloración estructural y reflectores de animales, y son prometedores para una gran variedad de aplicaciones en distintas formas. Como atractivos materiales ópticos, los cristales fotónicos se utilizan para controlar y manipular el flujo de luz.
Tendencias futuras:
Los cristales fotónicos unidimensionales ya se utilizan ampliamente en la óptica de película fina, con aplicaciones que van desde los revestimientos antirreflectantes y de alta reflexión en lentes y espejos hasta las pinturas y tintas que cambian de color. Los cristales fotónicos de mayor dimensión son de gran interés para la investigación fundamental y aplicada, y las estructuras bidimensionales empiezan a encontrar aplicaciones comerciales.
Han aparecido productos comerciales con cristales fotónicos periódicos bidimensionales en forma de fibras de cristal fotónico, que utilizan estructuras a escala micrométrica para confinar la luz con propiedades fundamentalmente distintas de las guiadas por fibras convencionales utilizadas en dispositivos no lineales y para guiar longitudes de onda inusuales.
Aunque sus homólogos tridimensionales están lejos de la comercialización, podrían ofrecer funcionalidades adicionales, como la no linealidad óptica necesaria para el funcionamiento de los transistores ópticos utilizados en los ordenadores ópticos, una vez superados ciertos aspectos técnicos como la fabricabilidad y dificultades mayores.
Visión general:
Los materiales cerámicos resistentes a la erosión representan un avance muy prometedor en materiales estructurales de alta temperatura. Con un punto de fusión elevado, sirven como materiales refractarios superiores para aplicaciones como hornos y tubos de hornos de alta temperatura. Entre estas cerámicas, las categorizadas como materiales estructurales se componen principalmente de propiedades mecánicas como resistencia, dureza y tenacidad.
Aunque los metales se han utilizado ampliamente como materiales estructurales, su susceptibilidad a la corrosión y la oxidación a altas temperaturas los hace inadecuados para tales condiciones. La aparición de la cerámica estructural de alta temperatura resuelve las deficiencias de los materiales metálicos más débiles. Estas cerámicas son resistentes a las altas temperaturas, a la oxidación y a la corrosión ácido-base.
Tendencias futuras:
Las cerámicas de alta temperatura resistentes a la erosión ofrecen aislamiento, resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión y sólidas propiedades mecánicas. Los revestimientos aislantes cerámicos de alta temperatura son reconocidos por su respeto al medio ambiente, su eficacia y su multifuncionalidad, lo que les asegura un lugar importante en el sector de los revestimientos especializados.
Visión general:
La hidrocerámica es un material compuesto por perlas de hidrogel que pueden hincharse hasta 400 veces su volumen original cuando se sumergen en agua.
Tendencias futuras:
Gracias a esta notable propiedad, las perlas esféricas absorben líquidos que se evaporan en el aire circundante cuando hace calor, proporcionando así un efecto refrescante.
Visión general:
Los plásticos infinitamente reciclables son aquellos que pueden reciclarse indefinidamente. En comparación con los plásticos convencionales, los plásticos infinitamente reciclables pueden ser reprocesados, evitando el daño causado por los productos plásticos que entran en el medio ambiente, ofreciendo así importantes beneficios ecológicos. A diferencia de los plásticos biodegradables, los plásticos infinitamente reciclables no se degradan en la naturaleza, sino que pueden reutilizarse, lo que aporta un valor económico sustancial.
Tendencias futuras de desarrollo:
Los plásticos infinitamente reciclables tienen amplias perspectivas de mercado en el contexto de las estrategias de desarrollo sostenible. Los analistas del sector indican que los plásticos comunes se enfrentan actualmente a diversos problemas relacionados con su valor ecológico y económico. Los plásticos infinitamente reciclables pueden resolver estos problemas en la mayor medida posible y sustituir a los plásticos actuales en la fabricación de diversos productos.
Introducción:
Los principales materiales utilizados en la impresión 4D son los polímeros. En 2014, unos científicos desarrollaron una fibra de polímero sensible a la tensión que permite fabricar vestidos capaces de ajustarse automáticamente a la forma del cuerpo y los movimientos de quien los lleva.
Tendencias futuras:
Los materiales inteligentes son el núcleo de la tecnología 4D. Sin embargo, como la investigación en este campo aún está en pañales, sólo hay unos pocos materiales maduros listos para su comercialización, siendo los polímeros el principal foco de atención. Esto presenta tanto oportunidades como retos. Un área clave de la investigación actual es investigar el potencial de la cerámica, los metales, las sustancias biológicas y los compuestos como materiales de impresión.
Visión general:
Este polímero delicado y suave, cuando se aplica sobre la piel, puede tensar y elevar instantáneamente, borrando las arrugas sin esfuerzo.
Perspectivas de futuro:
Este material es muy prometedor para el desarrollo de productos de cuidado de la piel y el tratamiento de afecciones cutáneas.
La tecnología de IA acelera el proceso de desarrollo de materiales de alto rendimiento principalmente a través de los siguientes aspectos:
Mejorar la precisión de los modelos y la capacidad de generar nuevas funciones: La principal innovación de la ciencia de materiales de IA reside en la optimización de algoritmos, especialmente en la aplicación de la tecnología de aprendizaje profundo. Esto mejora significativamente la precisión del modelado, lo que permite predecir con mayor exactitud el rendimiento y las funciones de los nuevos materiales.
Iniciativa sobre el Genoma de los Materiales: Al establecer la infraestructura para la innovación de nuevos materiales, la tecnología de IA ayuda a duplicar, como mínimo, la velocidad desde la investigación y el desarrollo hasta la aplicación de materiales, reduciendo al mismo tiempo el coste a la mitad. En este proceso, la creación de una base de datos es clave y constituye la piedra angular de la ingeniería genómica de materiales.
Experimentos de alto rendimiento, automatizados e inteligentes: La tecnología de IA ha promovido el alto rendimiento, la automatización y la inteligencia de los experimentos con materiales. Esto no solo mejora la eficiencia de los experimentos, sino que también promueve la integración profunda de simulaciones teóricas y datos experimentales, guiando así el diseño y la optimización de nuevos materiales.
Combinación de big data y métodos de aprendizaje automático: El método de aprendizaje automático que combina la función de alta precisión y el potencial profundo construido con tecnología de IA con cálculo de alto rendimiento puede predecir materiales de frontera como aislantes topológicos, materiales catalíticos, materiales bidimensionales, etc.
Resolver el problema del "cuello de botella": La tecnología de IA, especialmente la investigación impulsada por la tecnología de big data, proporciona medios eficaces para resolver problemas difíciles en el campo de la ciencia de materiales, acelerando el proceso de desarrollo de nuevos materiales.
Aplicación de la informática de materiales: Un aspecto importante de los métodos innovadores de la IA en el campo de la ciencia de los materiales es su uso eficaz en la investigación informática de materiales, que permite avanzar en el desarrollo de materiales mediante la predicción de propiedades.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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