Forma

Los dispositivos electrónicos que pueden doblarse, estirarse y repararse a sí mismos podrían funcionar en aplicaciones que van desde robots más resistentes hasta ropa inteligente.

Las máquinas que cambian de forma han sido durante mucho tiempo un elemento básico de la ciencia ficción, y por una buena razón. Considere el poder de la malvada máquina de matar en la película de 1991 Terminator 2: El día del juicio final. Cuando llega el T-1000 de metal líquido, los héroes rápidamente se dan cuenta de que tienen dos grandes problemas: primero, su enemigo puede transformarse, convirtiendo apéndices de apariencia humana en espadas mortales. En segundo lugar, hacer agujeros en la máquina apenas la ralentiza; ¡Puede curarse a sí mismo!

Las máquinas de autocuración ya están entre nosotros. Por supuesto, la realidad no coincide del todo con el T-1000, pero los científicos han descubierto que las dos capacidades de la máquina ficticia están estrechamente relacionadas. "La ciencia fundamental que da lugar a los materiales que se curan solos es el mismo comportamiento que les permite cambiar de forma", afirma Zhenan Bao, ingeniero químico de la Universidad de Stanford. Y en los últimos meses, los científicos han desarrollado una nueva variedad de materiales con la capacidad de curarse y cambiar de forma, entre otras habilidades. Los investigadores han utilizado estas sustancias para construir nuevos tipos de electrónica con aplicaciones en robótica, interfaces bioelectrónicas, dispositivos portátiles y pantallas avanzadas. Estas máquinas también podrían ser más respetuosas con el medio ambiente que las fabricadas con materiales tradicionales como el silicio y el metal.

La ciencia de los materiales autocurativos se remonta a casi dos siglos, pero realmente despegó en la década de 1970. Fue entonces cuando los investigadores comenzaron a estudiar el potencial de autocuración de los polímeros: moléculas grandes que consisten en partes repetidas, de la misma manera que una cadena se compone de eslabones. La composición de la cadena polimérica principal de una molécula, o “columna vertebral”, determina una variedad de propiedades, incluida la dureza o elasticidad de la molécula. Algunos polímeros curables requieren un desencadenante, como la exposición a una temperatura, luz o presión particular, para volver a unir sus enlaces rotos. Otros sanan espontáneamente. Estos polímeros "dinámicos" utilizan enlaces moleculares más débiles que los de la mayoría de las moléculas estables. Por ejemplo, muchos materiales dinámicos se mantienen unidos mediante enlaces de hidrógeno, en los que los átomos de hidrógeno con carga positiva atraen a otros átomos con carga negativa. "Lo bueno de los enlaces de hidrógeno es que son espontáneos", dice Carmel Majidi, ingeniero mecánico de la Universidad Carnegie Mellon. “No es necesario derretir ni calentar los materiales; simplemente forman estos vínculos al entrar en contacto”.

Los enlaces débiles confieren a estos materiales propiedades interesantes. “Parece un sólido. Y si lo estiras muy rápido, se rompe como un sólido. Pero si lo sostienes, gotea como un líquido”, dice Bao. "Las moléculas no están fijas en su lugar, por lo que estas redes poliméricas se forman y disocian continuamente". Esta promiscuidad es lo que permite la autocuración. “Cuando dañamos el material, las uniones se rompen. Pero cuando se juntan las piezas, estos enlaces de hidrógeno se forman muy fácilmente y el material recupera sus propiedades mecánicas”, dice Bao.

El mismo principio subyace a la electrónica extensible. "Estos enlaces dinámicos nos permiten estirar el material hasta varios cientos de veces su tamaño original porque los enlaces pueden romperse y reformarse", dice Bao. El uso de múltiples tipos de uniones, con diferentes resistencias, produce materiales que son a la vez flexibles y resistentes.

Sin embargo, los materiales necesitan otras propiedades para su uso en electrónica. En primer lugar, deben ser buenos conductores. Sin embargo, la mayoría de los polímeros son aislantes. Una solución es añadir partículas metálicas, nanocables o nanotubos de carbono a un polímero para que el material estirable sea conductor. Bao y sus colegas han utilizado estos enfoques para construir “pieles electrónicas” autocurativas que se adaptan al cuerpo y son capaces de detectar la presión y la tensión y medir la frecuencia cardíaca.

Otra solución son los metales líquidos. En un estudio publicado a principios de este año, Majidi y sus colegas introdujeron microgotas de aleación líquida en un gel polimérico salpicado de escamas de plata. El material resultante era lo suficientemente elástico, autocurativo y conductor como para alimentar el motor de un robot blando. "El objetivo final es construir sistemas electrónicos y robóticos que abarquen todas las propiedades de los tejidos biológicos", dice Majidi, "no sólo por su funcionalidad sino también por su resiliencia y autocuración".

Esos materiales adaptativos son conductores simples. Los investigadores también están desarrollando materiales igualmente elásticos con otras propiedades electrónicas. Incluyen semiconductores en los que la conductividad aumenta con la temperatura, así como dieléctricos, que son aislantes que cambian las propiedades de su carga, o se "polarizan", en campos eléctricos. Los investigadores han combinado con éxito estos diferentes materiales para fabricar transistores, condensadores y otros componentes electrónicos reparables. "Hay todo tipo de funcionalidades materiales que podrían ser útiles en robótica blanda o electrónica portátil", afirma Majidi. "Trabajamos con termoeléctricos para convertir el calor en electricidad, por lo que sería fantástico tener una prenda termoeléctrica que pudiera recuperar su capacidad de recolección de energía si se daña". Encontrar este tipo de aplicaciones en el mundo real es el objetivo actual de Majidi. "Ahora que hemos superado muchos de los obstáculos, ese es el siguiente gran paso", afirma.

Benjamin Tee, ingeniero de la Universidad Nacional de Singapur, cree que la electrónica autorreparable será una gran ayuda para el medio ambiente. "La autorreparación tiene muchas implicaciones para reducir los residuos electrónicos", afirma. “¿Existe un futuro en el que, si se te cae el teléfono, podrá repararse solo?” En un estudio publicado en 2020, Tee y sus colegas desarrollaron un material dieléctrico transparente y elástico para usar en condensadores emisores de luz. Emplearon este material para construir un dispositivo capaz de producir una iluminación brillante con mucha menos energía que la que requería la optoelectrónica extensible anterior. Como resultado, su uso en interfaces hombre-máquina era más duradero y más seguro. También se cura a sí mismo después del daño. "Puede recuperar cerca del 100 por ciento de su brillo original", dice Tee. El equipo demostró el dispositivo en una pinza robótica suave que detectaba objetos en la oscuridad al detectar la luz reflejada. Otras aplicaciones potenciales incluyen pantallas flexibles casi invulnerables, dispositivos portátiles y más.

Con el tiempo, más componentes adquirirán capacidades de autorreparación. "El santo grial es tener un sistema electrónico completo que pueda autorrepararse", dice Tee. Esta visión se acerca más a la del T-1000, pero una barrera importante es que la electrónica compleja requiere múltiples capas. Cuando estos dispositivos se dañan, las capas a menudo ya no se alinean, lo que provoca un mal funcionamiento de los circuitos.

En un estudio publicado esta primavera, Bao y sus colegas presentaron una posible solución a este problema. Usaron dos polímeros diferentes que tienen cadenas principales que no se mezclan, pero también enlaces de hidrógeno idénticos que permiten que las capas se adhieran entre sí. "No les gusta mezclarse, como el aceite y el agua", dice Bao. "Pero tenemos moléculas en cada lado que les permiten unirse en la interfaz". Los investigadores apilaron 11 capas alternas, creando una película de 70 micrones de espesor (un poco más de la mitad del espesor de un billete de un dólar). Para probar sus capacidades, cortaron la película por la mitad, lo que provocó que las capas se desalinearan. Luego calentaron el material a 70 grados Celsius y las capas se realinearon por sí solas.

El equipo demostró la técnica en un sensor de presión autorrealineante y un robot blando cuyos componentes se ensamblaron de forma aproximada magnéticamente y luego se alinearon microscópicamente mediante calentamiento. Los investigadores aún no lo han demostrado en electrónica compleja, pero el estudio acerca esa aplicación. Los miembros del equipo ya están trabajando en diferentes materiales funcionales, capas más delgadas y estructuras en capas más complejas, dice Bao.

Como suele suceder, la ciencia ficción se está convirtiendo poco a poco en realidad. Pero es de esperar que las máquinas autocurativas y que cambian de forma del mañana sean menos agresivas que el T-1000.

Simón Makin es un periodista científico independiente radicado en el Reino Unido. Su trabajo ha aparecido en New Scientist, the Economist, Scientific American y Nature, entre otros. Cubre las ciencias de la vida y se especializa en neurociencia, psicología y salud mental. Siga a Makin en Twitter @SimonMakin Crédito: Nick Higgins

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