La manipulación de los materiales ha caracterizado los grandes momentos de la organización humana en toda su historia. Las edades de piedra, de bronce y de hierro deben su nombre a los materiales que el hombre aprendió a utilizar en ese tiempo y que lograron desarrollar esa época.

Los grandes avances tecnológicos experimentados en el siglo XX están relacionados en gran parte con el uso del silicio. El siglo XXI ha traído consigo el desenvolvimiento de un grupo amplio de materiales que han llamado la atención gracias a las diversas propiedades físicas, químicas y morfológicas que presentan y a la amplia gama de aplicaciones que tienen. Estos son los cinco más sobresalientes.

1. Nanoestructuras del carbono

Son quizá los que más fama han alcanzado en la última década. Entre ellos están los nanotubos de carbono (NTC), los fullerenos y el grafeno, que hacen parte de una misma familia ya que todos son diferentes formas alotrópicas del carbono.

Los NTC, que se caracterizan por ser extremadamente duros, resistentes y flexibles, se han usado en baterías recargables, piezas de automóviles, artículos deportivos y filtros de agua.

Los fullerenos soportan altas presiones y tienen muy buena capacidad para combinarse con otros elementos, por lo que han sido usados para liberación controlada de fármacos.

El grafeno es el material más delgado del mundo y posee mucha elasticidad, es más fuerte que el acero, mejor conductor eléctrico que el cobre, transparente y antimicrobiano. Sus aplicaciones van desde pantallas de celulares curvas, baterías de carga rápida, blindajes y celdas de combustibles hasta preservativos.

Quienes sintetizaron el fullereno y el grafeno recibieron los premios Nobel de Química (1996) y Física (2010) respectivamente.

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2. Materiales semiconductores bidimensionales

Una desventaja del grafeno es que no es un semiconductor, lo que limita algunas de sus aplicaciones. En la búsqueda de semiconductores 2D han sido obtenidos materiales muy interesantes como el fosforeno, un material compuesto por capas de un átomo de fósforo organizadas en una estructura hexagonal. Aunque fue sintetizado apenas en 2014, sus aplicaciones en electrónica son muy esperanzadoras.

En esta misma familia están el siliceno y el antimoneno, materiales formados por láminas de átomos de silicio y antimonio, respectivamente. El primero ha sido usado para construir baterías con mayor eficiencia y vida útil. El antimoneno ha demostrado ser altamente estable en diferentes medios y se proyecta para aplicaciones en tecnologías optoelectrónicas como nuevos diodos emisores de luz (LED).

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3. Materiales nanoporosos

Aplicaciones como purificación, separación y almacenamiento de gases, adsorbentes y filtros moleculares han atraído la atención en los últimos tiempos por el reto ambiental contemporáneo. Y allí los materiales porosos juegan un gran papel. Entre ellos, las redes metalorgánicas (MOF del inglés) han sobresalido. Sus características únicas de alta porosidad, elevada área superficial interna, flexibilidad y capacidad de incorporar funcionalidades específicas las hacen especiales y han incrementado su investigación. Otro ejemplo de material nanoporoso llamativo es la upsalita, un carbonato de magnesio (MgCO3) obtenido en 2011 en la universidad de Uppsala (Suecia), que ha sorprendido por sus propiedades súper absorbentes.

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4. Materiales topológicos

La topología es una rama de la matemática que estudia las propiedades que no cambian en cuerpos geométricos bajo deformaciones. Aplicarla al estudio de materiales permitió el descubrimiento de nuevos sistemas con propiedades exóticas. Entre ellos están los aislantes topológicos (materiales que son aislantes eléctricos en el interior y conductores en la superficie), los superconductores topológicos (materiales que pueden conducir la electricidad sin perder energía en forma de calor gracias a la acción de fermiones de Majorana, partículas que son su propia antipartícula) y los semimetales topológicos (presentan las mismas propiedades electrónicas del grafeno pero en 3D).

Sus aplicaciones se centran en la fabricación de dispositivos que, como el computador cuántico, permitirán procesar y resolver problemas millones de veces más rápido que los dispositivos actuales. El premio Nobel de Física en 2016 fue otorgado a investigadores de fases topológicas.

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5. Nanocelulosa

Un desafío ambiental inmediato es la sustitución del plástico, un polímero que representa un grave problema debido a su dificultad para descomponerse. Entre los mejores candidatos está la nanocelulosa, material que se obtiene con base en celulosa que ha sido descompuesta, purificada y reconstruida en dimensiones nanométricas.

La celulosa es el biopolímero más abundante en la naturaleza y constituye uno de los componentes estructurales de las plantas, aunque también se encuentra en algas y algunos animales marinos.

Una vez procesada es posible obtener nanocelulosa, que ha sorprendido por ser un material resistente a altas temperaturas, flexible, fácil de modificar químicamente, transparente y buen conductor de la electricidad. Pero su mayor ventaja es que no genera residuos contaminantes, lo que lo convierte en un nanomaterial totalmente ecológico y con cero impacto ambiental.

Cremas para la piel, nuevos textiles, papel y cementos mejorados son otros ejemplos de productos en donde se está usando nanocelulosa con resultados satisfactorios.

No cabe duda que el futuro está cada vez más al alcance de nuestras manos y serán los nuevos materiales los que nos ayudarán a construir una nueva era.