He mencionado este punto varias veces antes en mis respuestas, y lo volveré a enfatizar. La ciencia de los materiales es un campo vasto .
Todo en este mundo es un material de algún tipo, y la utilidad de cualquier sustancia depende de las propiedades de sus materiales constituyentes. La ciencia de los materiales se preocupa por comprender cómo la atómica y la macroestructura influyen en las propiedades finales del material, y aplica ese conocimiento para ajustar las propiedades de las aplicaciones deseadas.
Desde los albores de la civilización humana, hemos estado clasificando la historia en función del material predominante en uso, como la Edad de Piedra, la Edad del Cobre o la Edad del Hierro.
Hasta mediados del siglo XX, utilizamos materiales de manera fortuita y fortuita. Pero a partir del desarrollo de la tabla periódica de Mendeleev, y a través del nacimiento de la física cuántica, nuestro enfoque cambió por completo. Ahora teníamos tanto los materiales como las teorías adecuadas para explicar y predecir sus propiedades. Durante los últimos cincuenta años más o menos, construimos y refinamos esas teorías para explicar las propiedades de los materiales, y, francamente, tuvimos bastante éxito en este esfuerzo. Pero, armados con potentes capacidades de cálculo, ahora estamos entrando en una fase muy diferente de investigación de materiales, a medida que aplicamos estas teorías para crear materiales artificiales. Evaluamos nuestras necesidades y diseñamos materiales desde cero para cumplir con esas necesidades.
Tal enfoque combina ciencia de materiales computacional, caracterización de materiales y técnicas de producción novedosas para entregar literalmente el Unobtainium de ayer. Los principales ejes de este enfoque son:
- Materiales electrónicos: esta investigación se enfoca tanto en extender la vida útil de las tecnologías CMOS de silicio como en suplantarlas. Esto incluye la investigación en el ámbito de los dieléctricos, donde muchas de las tecnologías de laboratorio están entrando actualmente en el mercado mientras hablamos, para explorar nuevas arquitecturas de dispositivos. Junto con eso, ha habido un gran impulso en los materiales de reemplazo de silicio, con el grafeno como foco principal.
Además, la gente ha estado tratando de alejarse de la electrónica tradicional, y ha estado experimentando con circuitos fotónicos y espintrónicos para la computación cuántica. En términos de líneas de tiempo, el grafeno puede ser testigo de aceptación comercial dentro de esta década, mientras que las computadoras cuánticas aún están a una o dos décadas de distancia. - Materiales energéticos: esta es un área de investigación extraordinariamente fértil. Con una población en crecimiento de siete mil millones, el desarrollo solo ha aumentado la demanda mundial de energía. Con la amenaza del cambio climático catastrófico que se avecina, aquí es donde realmente estamos corriendo contra el reloj para encontrar mejores baterías, mejor almacenamiento de energía y formas más eficientes de almacenar y aprovechar la energía.
- Materiales estructurales: los motores son más eficientes cuando funcionan a presiones y temperaturas más altas. Las mejores propiedades térmicas de los materiales de construcción reducen significativamente los costos de HVAC. Nuestras soluciones de transporte deben ser más seguras (leer más fuerte) y más eficientes (leer más ligero). La investigación de materiales estructurales tiene como objetivo resolver estos problemas, a menudo tratando de vincular estas demandas dispares del mercado. Por lo tanto, nos hemos alejado del acero al aluminio e incluso a la fibra de carbono, y aún hay más cosas en el horizonte.
- Biomateriales: la escasez de órganos es un problema persistente, como lo es la baja disponibilidad de sangre. La ingeniería de tejidos sintéticos viene aquí al rescate. La investigación de biomateriales tiene impactos inmediatos como corazones artificiales o riñones artificiales en aplicaciones futuristas que desempeñan el papel de reemplazo de órganos a través de implantes más potentes.
- Fenómenos emergentes : esta es otra avenida emocionante. Hasta ahora, hemos estado analizando las relaciones de propiedad de la estructura a través de la simetría de cristal. ¿Qué pasaría si pudiéramos crear estructuras de superredes con simetrías nunca observadas en la naturaleza? ¿Generaríamos propiedades nuevas e inauditas? La respuesta corta es sí, y aquí vienen los metamateriales. Esta es una tecnología que está al menos a dos décadas de la adopción, pero promete revolucionar por completo la relación de la humanidad con los materiales.
