"Metamaterial" se refiere a un material compuesto con estructuras diseñadas artificialmente que demuestran propiedades físicas extraordinarias que no se encuentran en los materiales naturales.
Los metamateriales, que emergen en el siglo XXI, representan una clase de nuevos materiales que tienen propiedades especiales ausentes en los materiales naturales, y estas propiedades se originan principalmente a partir de estructuras únicas diseñadas artificialmente.
El concepto de diseño de los metamateriales es innovador. Esta idea se basa en romper las restricciones de ciertas aparentes leyes naturales mediante el diseño de diversas estructuras físicas, logrando así funciones materiales extraordinarias.
El concepto de diseño metamaterial sugiere que, sin violar las leyes físicas básicas, los humanos pueden crear artificialmente “nuevas sustancias” con propiedades físicas extraordinarias claramente diferentes de las de la naturaleza, llevando el diseño y desarrollo de materiales funcionales a un ámbito completamente nuevo.
Ejemplos típicos de "metamateriales" incluyen "materiales zurdos", cristales fotónicos, "materiales supermagnéticos" y "agua metálica".
Seis categorías de materiales avanzados.
1. Material autorreparable: plástico biomimético
Scott White, de la Universidad de Illinois, ha desarrollado un tipo de plástico biomimético con capacidades de autocuración. Este polímero incorpora un “sistema vascular” hecho de líquido. Cuando se daña, el líquido fluye como sangre y coágulos.
A diferencia de otros materiales que sólo pueden reparar grietas pequeñas, este plástico biomimético puede reparar fracturas de hasta 4 milímetros de ancho.
2. Materiales termoeléctricos
Una empresa llamada Alphabet Energy ha desarrollado un generador de punto de acceso que se puede insertar directamente en el escape de un generador normal, convirtiendo así el calor residual en electricidad utilizable.
Este generador emplea un material termoeléctrico natural y relativamente económico conocido como tetraedrita, que alcanza una eficiencia del 5 al 10%.
Actualmente, los científicos están investigando un material termoeléctrico de mayor eficiencia llamado Skutterudite, un mineral que contiene cobalto.
Los materiales termoeléctricos ya han comenzado a utilizarse a pequeña escala, como por ejemplo en naves espaciales.
Sin embargo, Skutterudite, con su bajo costo y alta eficiencia, puede usarse para recubrir escapes de automóviles, refrigeradores o cualquier maquinaria.
3. Perovskita
Además del silicio cristalino, las perovskitas también pueden servir como materiales alternativos para la fabricación de células solares.
En 2009, las células solares producidas con perovskitas tuvieron una tasa de conversión de energía solar del 3,8%. En 2014, esta cifra aumentó al 19,3%, acercándose a la eficiencia de más del 20% de las células de silicio cristalino tradicionales.
Los científicos creen que todavía existe potencial para mejorar el rendimiento de este material.
Las perovskitas son una categoría de materiales definida por una estructura cristalina específica, que puede contener cualquier número de elementos, normalmente plomo y estaño para aplicaciones de células solares.
En comparación con el silicio cristalino, estas materias primas son significativamente más baratas y pueden pulverizarse sobre el vidrio, eliminando la necesidad de un montaje meticuloso en salas blancas.
4. aerogeles
Los aerogeles se pueden fabricar a partir de numerosas sustancias, incluido el dióxido de sílice, los óxidos metálicos y el grafeno.
Como el aire constituye la mayor parte de su volumen, los aerogeles sirven como aislantes excepcionales. Su estructura les confiere además una extraordinaria resistencia.
Los científicos de la NASA están experimentando actualmente con un aerogel flexible hecho de polímeros, que se utilizará como material aislante para naves espaciales durante el reingreso a la atmósfera.
5. Stanene: un material con 100% de conductividad
El estaneno, similar al grafeno, es un material construido a partir de una sola capa de átomos. Sin embargo, debido a que utiliza átomos de estaño en lugar de carbono, tiene una característica que el grafeno no puede alcanzar: 100% de conductividad.
Stanene fue propuesto teóricamente por primera vez en 2013 por el profesor Shou-Cheng Zhang de la Universidad de Stanford. Predecir las propiedades electrónicas de materiales como Stanene es una de las especialidades del laboratorio del profesor Zhang.
Según su modelo, Stanene es un aislante topológico, lo que significa que sus bordes son conductores mientras que su interior es aislante. Como tal, Stanene puede conducir electricidad con resistencia cero a temperatura ambiente.
6. Metamateriales que manejan la luz
La nanoestructura de los metamateriales que manipulan la luz puede dispersar la luz de maneras específicas, haciendo potencialmente invisibles los objetos.
Dependiendo del método de fabricación y de los materiales utilizados, los metamateriales también pueden dispersar microondas, ondas de radio y los menos familiares rayos T.
De hecho, cualquier tipo de espectro electromagnético puede ser controlado por estos metamateriales.
