Una de las disciplinas más importantes en la vida del ser humano es la ciencia de los materiales. Contrariamente a lo que se podría pensar, esta constituye quizá la rama del conocimiento que más ha influido en la forma en que la humanidad ha ido evolucionando a lo largo de la historia: demuestra cómo los seres humanos han sido capaces de ir construyendo su manera de vivir, de relacionarse y de progresar.
Dentro de esta rama se encuentra una noble tecnología conocida como ciencia de los metamateriales o materiales inteligentes.
Los metamateriales son una clase novedosa de materiales funcionales que se diseñan en torno de patrones o estructuras únicas a micro y nanoscala, que hacen que interactúen con la luz y otras formas de energía de manera que no se encuentran en la naturaleza.
Estos metamateriales se fabrican a partir de ensamblajes de múltiples elementos hechos de materiales compuestos, como metales y plásticos.
Los metamateriales suelen disponerse en patrones repetitivos, a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de los fenómenos que influyen. Sus propiedades se derivan no de las propiedades de los materiales base, sino de las estructuras diseñadas.
Características contranaturales
La forma, geometría, tamaño, orientación y disposición de los metamateriales les confieren propiedades inteligentes capaces de manipular las ondas electromagnéticas: bloqueándolas, absorbiéndolas, mejorándolas o doblando las ondas para lograr beneficios que van más allá de lo que es posible con los materiales convencionales.
De hecho, los metamateriales pueden exhibir propiedades antinaturales y extremas. Por ejemplo, los investigadores han diseñado metamateriales que a pesar de ser sólidos se comportan como un fluido. También se han creado metamateriales que pueden ocultar objetos a la vista, manipulando la propagación y transmisión de frecuencias de luz específicas y radiación electromagnética, o implantes que se comportan exactamente como el tejido óseo.
Estos objetos extraordinarios ya se fabrican a partir de metamateriales, pero el proceso de descubrimiento de estos materiales es muy complejo y requiere resolver el llamado problema inverso, el cual dificulta encontrar la geometría que da lugar a las propiedades deseadas.
Los problemas inversos son notoriamente difíciles de resolver, ya que están destinados a encontrar microarquitecturas que den lugar a determinadas propiedades de un material. Además, las microarquitecturas candidatas deben ser resistentes a la duración y a la fractura del material.
Para resolver este desafío los investigadores acuden ahora a la Inteligencia Artificial (IA).
Modelo
Bajo esa línea investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, en Países Bajos, desarrollaron modelos con un método de IA conocido como aprendizaje profundo, con el cual lograron resolver el problema inverso.
Así, el modelo de IA de Delft combina prototipos de aprendizaje profundo, modelos generativos y simulaciones de elementos finitos, evitando cualquier suposición simplificadora.
El modelo encuentra la geometría que da las propiedades que se desea para el número de bloques de construcción que realmente se pueden fabricar.
Con esta herramienta de IA no solo se pueden descubrir metamateriales extraordinarios sino también hacerlos duraderos y listos para la fabricación. Esto permite crear dispositivos con funcionalidades sin precedentes, a la medida de cada necesidad.
Los investigadores superaron además las limitaciones de los enfoques anteriores, que asumían que la geometría a pequeña escala podía hacerse con un número infinito de bloques de construcción. La doctora en Ingeniería Biomecánica, Helda Pahlavani, primera autora del estudio, destaca que “ahora podemos simplemente preguntar: ¿cuántos bloques de construcción te permite alojar tu técnica de fabricación en tu dispositivo?”
Un importante problema ignorado en otras investigaciones ha sido la durabilidad de los metamateriales. La mayoría de los diseños existentes se rompen una vez que se usan varias veces. Esto se debe a que los enfoques de diseño de metamateriales existentes no tienen en cuenta la durabilidad.
El también ingeniero biomecánico y profesor Amir Zadpoor, coautor del proyecto, comenta que “hasta ahora solo se trataba de qué propiedades se pueden lograr. Nuestro estudio considera la durabilidad y selecciona los diseños más duraderos de un gran grupo de candidatos de diseño. Esto hace que nuestros proyectos sean realmente prácticos y no solo aventuras teóricas”.
Los investigadores esperan que su herramienta de IA abra nuevas posibilidades para crear dispositivos con funcionalidades sin precedentes, como filtros ópticos, dispositivos médicos, aplicaciones aeroespaciales remotas, gestión inteligente de la energía solar, láseres, detección de sensores y monitoreo de infraestructura, control de multitudes, radomos, lentes para antenas de alta ganancia y comunicación de alta frecuencia en el campo de batalla, entre otros.
Ejemplos de metamateriales
Con memoria de forma Son en su mayoría de naturaleza metálica o plástica, capaces de recobrar su forma original luego de ser deformados. Un ejemplo es el cable de nitinol, el cual se utiliza en dispositivos medios, lentes de sol y equipo deportivo.
Piezoeléctricos Son capaces de generar señales eléctricas cuando son sometidos a presión mecánica. Suelen utilizarse para fabricar sensores, actuadores y dispositivos de control de vibración.
Termocrómicos Materiales capaces de cambiar de color según la temperatura. Se utilizan comúnmente para fabricar termómetros, etiquetas de control de temperatura y equipo deportivo.
Electrocrómicos De forma similar a los anteriores, estos cambian de color, pero esta vez en respuesta a la corriente eléctrica. Son ideales para pantallas de dispositivos, ventanas inteligentes e incluso espejos.
De cambio de fase Son capaces de cambiar de fase en respuesta a un estímulo externo, como puede ser la temperatura a la luz. Pueden cambiar de estado sólido a líquido o de líquido a gas, por lo que se utilizan en dispositivos de control de temperatura y sistemas de almacenamiento de energía.
Hidrofóbicos Como su nombre lo indica, estos materiales inteligentes son capaces de repeler agua y otros líquidos. Se utilizan mayormente en revestimientos antiadherentes y ropa impermeable. También se usan en la industria aeronáutica gracias a sus capacidades para reducir la resistencia al viento.
Fotovoltaicos Convierten la luz del sol en energía eléctrica. Son ideales para la fabricación de paneles solares y dispositivos electrónicos portátiles, como cargadores portátiles.
Fuente: Dialnet