Materiales y estructuras "inteligentes"

El Centro Tecnológico Gaiker desarrolla una línea de trabajo basada en el estudio y aplicación de los materiales denominados como “inteligentes” mediante la realización de proyectos privados y el liderazgo y coordinación del consorcio ACTIMAT.

Los materiales y estructuras inteligentes son uno de los puntos en los que la comunidad científica de todo el mundo está poniendo un gran interés dadas las peculiares características de estos sistemas. Como ejemplo cabe destacar que una de las prioridades temáticas en Europa dentro del Sexto Programa Marco es el estudio, desarrollo y aplicación de estos materiales denominados “multifuncionales” con el fin de poner a Europa a la altura de países como Estados Unidos y Japón en lo referente a la tecnología basada en dichos materiales.

Con este objetivo, el Centro Tecnológico Gaiker ha participado durante estos últimos años en diferentes proyectos acerca de estas nuevas tecnologías y, a su vez, dirige y coordina el consorcio líder en el área de los materiales inteligentes a nivel del País Vasco, ACTIMAT. El consorcio se ha constituido como la necesidad de unir esfuerzos y conocimientos, estando constituido por tres departamentos de la Universidad del País Vasco:

• Departamento de Química Física, Laboratorio de Química Macromolecular.
• Departamento de Electricidad y Electrónica, Grupo de Materiales Magnéticos y Magnetismo.
• Departamento de Física de la Materia Condensada, Grupo de Investigación en Metalurgia Física, y varios Centros Tecnológicos, Ikerlan, Cidetec, MTC y Gaiker. Este proyecto es Financiado y tutelado por Departamento de Industria, Comercio y Turismos del Gobierno Vasco dentro del Programa de Investigación Estratégica Etortek.

El consorcio ACTIMAT cubre desde la propia investigación básica a la aplicabilidad de estos materiales y sistemas inteligentes en el sector industrial.

Hoy en día, gracias a la popularidad que ha ido adquiriendo a lo largo de estos últimos años, el término “inteligente” se ha adoptado como un modo válido de calificar y describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma, color, etc.) en presencia de un estímulo concreto.

No existe un consenso a la hora de aplicar este término a un material o estructura, pero si existe un acuerdo en cuanto a ciertos criterios o rasgos comunes que deben presentar los llamados materiales o estructuras inteligentes:

• Estos materiales, de manera intrínseca o embebida, presentan sensores de reconocimiento y medida de la intensidad del estímulo ante el que reaccionará el material.

• A su vez presentan “actuadores”, embebidos o intrínsecos, que responden ante dicho estímulo.

• Para controlar la respuesta de una forma predeterminada presentan mecanismos de control y selección de la respuesta.

• El tiempo de respuesta es corto.

• El sistema regresa a su estado original tan pronto como el estímulo cesa.

Si se tienen en cuenta estos puntos genéricos, se podría adoptar como definición de sistema inteligente la siguiente: “Sistema o material que presenta sensores, ’actuadores’ y mecanismos de control, intrínsecos o embebidos, por los cuales es capaz de sentir un estímulo, de responder ante él de una forma predeterminada en un tiempo apropiado y de volver a su estado original tan pronto como el estímulo cesa”.

En los subsiguientes apartados se describen brevemente los materiales inteligentes más habituales y conocidos.

Materiales “inteligentes”

El efecto de memoria de forma puede describirse como la capacidad de un material para cambiar la forma debido a la aplicación de un estímulo externo.

Bajo el término de materiales con memoria de forma existen cuatro clases diferentes, según la naturaleza, o del material en sí, o del estímulo externo al que responden. Las cuatro clases en las que se pueden dividir son:

• Aleaciones con Memoria de Forma (Shape Memory Alloys, SMAs).
• Cerámicas con Memoria de Forma (Shape Memory Ceramics, SMCs).
• Polímeros con Memoria de Forma (Shape Memory Polymers, SMPs).
• Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMAs).

En el caso de las aleaciones metálicas, el efecto de memoria de forma se basa en la transición que se produce entre dos fases sólidas, una de baja temperatura o martensítica y otra de alta temperatura o austenítica.

El material se deforma en la fase martensítica y recupera de forma reversible sus dimensiones originales mediante el calentamiento por encima de una temperatura crítica de transición.

Por otro lado, los polímeros con memoria de forma son materiales poliméricos con la capacidad de recordar su forma original. Este efecto está relacionado con la combinación de la estructura y la morfología del polímero junto con el proceso y tecnología de programación de inclusión de la forma empleado. Es decir es necesario un entrenamiento del material para que recuerde una forma determinada.

El primer paso es procesar el polímero para grabar su forma permanente y seguidamente el polímero es deformado fijándose, de ese modo, la forma temporal.

El mecanismo del efecto de memoria de forma en los polímeros puede producirse, no sólo por temperatura, sino también por luz o por reacciones químicas.

A parte de los metales y los polímeros, las cerámicas completan las tres grandes familias de materiales sólidos. Una definición general de cerámica podría ser la siguiente: materiales inorgánicos, no metálicos, que se producen habitualmente empleando arcillas y otros minerales naturales o procesados químicamente. Estas cerámicas inteligentes, normalmente, son cerámicas basadas en ZrO2, pero existen otros ejemplos basados en niobato de magnesio o cerámicas perovskitas.

Por último, hay que mencionar la aparición de una nueva clase de materiales que sufren el efecto de memoria de forma bajo la aplicación de diferentes campos magnéticos y que presentan grandes elongaciones (aproximadamente de un 6 por ciento).

En este caso el comportamiento es similar al de las aleaciones con memoria de forma (SMAs) pero el estímulo al que responden, en vez de ser la temperatura, es el campo magnético aplicado. Estos materiales son conocidos como Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma (FSMAs) o Metales Magnetoelásticos.

Representación esquemática del efecto de memoria de forma

Cambio en la estructura cristalina que se produce durante el cambio de fase en las aleaciones con memoria de forma

Estos materiales experimentan cambios en sus propiedades físicas ante la presencia o aplicación de un campo eléctrico o magnético.

Entre estos materiales se encuentran los fluidos “inteligentes”. Estos fluidos presentan la capacidad de cambiar su viscosidad aparente en presencia de un estímulo externo. Se dividen en dos categorías dependiendo de la naturaleza del estímulo al que responden mediante un cambio en sus propiedades reológicas

Efecto electro reológico se llama al cambio reversible de las propiedades reológicas de un fluido debido a la aplicación de un campo eléctrico. Estos fluidos suelen clasificarse en dos tipos, uno correspondiente a fluidos formados por partículas dispersas y por otro lado los fluidos homogéneos. En el primer caso, el más común, se acepta que el origen de la respuesta electroreológica es debido a la agregación de las partículas en suspensión provocada por la polarización de los materiales. Acerca de los fluidos homogéneos, estos se comportan de igual manera que los anteriores pero, gracias a la ausencia de partículas pueden llegar a ser de gran utilidad para la microtecnología, permitiendo mayores miniaturizaciones.

Por otro lado, los materiales cuyas propiedades reológicas pueden ser variadas mediante la aplicación de campos magnéticos son los denominados materiales magnetoreológicos. En general, un material magneto reológico (MR) se compone de partículas micrométricas magnéticamente permeables suspendidas en un medio no magnético. Bajo el campo magnético se produce una polarización inducida sobre las partículas suspendidas de manera que se forman estructuras con forma de cadena debido a la interacción entre los diferentes dipolos inducidos.

Estas estructuras restringen la movilidad del fluido y consecuentemente se incrementa la viscosidad y se desarrolla una resistencia en la suspensión. Cuanto mayor sea el campo magnético aplicado mayor será la energía mecánica necesaria para romper dichas estructuras, es decir, se genera una resistencia dependiente del campo.

También existe otro tipo de materiales denominados sólidos magnetoreológicos, ya que la matriz en la que se dispersan las partículas férricas es una matriz polimérica sólida, como pueden ser materiales elastoméricos o espumas. Esta matriz, en principio, debe presentar un módulo de Young bajo ya que, de este modo, al presentar flexibilidad permiten cierto movimiento de las partículas férricas llegando a producirse alineamientos de las mismas y así aumentar su resistencia ante la cizalla o la compresión.

El Centro Tecnológico Gaiker lleva trabajando en la investigación de este tipo de materiales magnetoreológicos, tanto fluidos como sólidos, durante varios años, centrando su trabajo en el desarrollo de sistemas de amortiguación para el sector de la industria automovilística. El amortiguador es una pieza clave en la seguridad del vehículo, y cada vez más, se intenta integrar nuevos sistemas de seguridad electrónicos en sintonía con los sistemas de suspensión, frenado y dirección.

A su vez, dentro de los materiales electroactivos se encuentran los materiales piezoeléctricos. A modo de definición simple, el efecto piezoeléctrico es la capacidad que tiene un material para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. Este efecto se da en ciertos materiales sólidos cristalinos cuyas celdas unidad no poseen centros de simetría (por ejemplo el cuarzo y diferentes cerámicas policristalinas sintéticas).

Existen materiales piezoeléctricos de naturaleza cerámica y polimérica, aunque estos últimos son más escasos y, en muchos casos, se encuentran todavía en fases de investigación y desarrollo. Dentro de estos últimos el más conocido es el polifluoruro de vinilideno (PVDF), aunque estas propiedades piezoeléctricas también se han encontrado en el PVC, el polifluoruro de vinilo, en copolímeros de trifluoroetileno y PVDF, etc., todos ellos polímeros que contienen grupos polares con capacidad de orientarse a fin de generar dipolos internos en la estructura del material.

Por último, dentro de esta categoría de materiales electro y magnetoactivos se encuentran los materiales electroestrictivos y magnetoestrictivos. Los primeros exhiben un esfuerzo mecánico cuando están sometidos a un campo eléctrico sufriendo únicamente procesos de elongación, independientemente de la dirección en la que se aplique el campo eléctrico. En el caso de los magnetoestrictivos, se deforman bajo un campo magnético y generan un campo magnético cuando son sometidos a un esfuerzo mecánico.

Los materiales fotoactivos son aquellos en los que se producen cambios de diferente naturaleza como consecuencia de la acción de la luz o que son capaces de emitir luz como consecuencia de algún fenómeno externo.

Los materiales cromoactivos son aquellos en los que se producen cambios de color como consecuencia de algún fenómeno externo como puede ser la corriente eléctrica, radiación UV o temperatura.

Entre los materiales fotoactivos que emiten luz, sin que se produzca calor, nos encontramos con los electroluminiscentes, los fluorescentes y los fosforescentes.

• Electroluminiscentes: son materiales organometálicos basados fundamentalmente en fósforos y fluorocarbonos que emiten luz de diferentes colores cuando son estimulados por una corriente eléctrica.
• Fluorescentes: son materiales semiconductores que producen luz visible como resultado de su activación con luz UV. El efecto cesa tan pronto como desaparece la fuente de excitación. Los pigmentos fluorescentes a la luz del día son blancos o de color claro mientras que cuando están expuestos a radiación UV irradian un intenso color fluorescente.
• Fosforescentes: materiales semiconductores que convierten la energía absorbida en luz emitida sólo detectable en la oscuridad, después de que la fuente de excitación ha sido eliminada. Esta emisión de luz puede durar desde minutos hasta horas. La fuente de excitación más efectiva es la radiación UV.

Con campo magnético

Sin campo magnético

Muestras de materiales fosforescentes