La era de los materiales impensables

De la Edad de Piedra, Bronce, Hierro, Plástico o Silicio a la innovación en materiales de una nueva fase de la civilización con la IA como aliada. Promete acelerar la creación de nuevas materias con propiedades capaces de catapultar industrias como la médica, el transporte o los semiconductores. Se usarán “desde el hormigón y el acero en rascacielos a las zapatillas de correr, las pantallas de realidad aumentada o las vacunas”, afirma Rafael Gómez Bombarelli, profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Estos nuevos compuestos facilitan herramientas poderosas para responder a necesidades sociales como los retos climáticos. “Como intentamos reducir nuestro impacto ambiental, existe un gran interés en generar materiales biodegradables o con una alta capacidad de captación de CO2 para reducir el efecto invernadero”, apunta Inmaculada Aranaz, profesora de la Facultad de Farmacia de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de Transbiomat, grupo de investigación y transferencia en biotecnología y materiales aplicados.

Google DeepMind ha logrado predecir las estructuras de 2,2 millones de nuevos materiales posibles, con unos 700 ya ensayados en laboratorio

No solo contribuyen al desarrollo de nuevos productos, dispositivos o aplicaciones, también son útiles para mejorar los existentes. De acuerdo con María Bernechea, investigadora ARAID en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, pueden ayudar a abaratar costes o a diseñar dispositivos más ligeros, rápidos, duraderos o deformables. La IA impulsará una nueva generación de materiales capaces de ensamblarse por sí solos o con memoria para modificar su forma al reaccionar ante estímulos como el pH o la temperatura.

Pero no hablamos de un progreso sencillo. Descubrir una nueva materia evolucionada en desempeño y coste es, según Gómez, “buscar una aguja en un pajar” por el enorme número de posibilidades al combinar los elementos de la tabla periódica. “De la misma forma que la IA generativa crea imágenes o textos realistas de la nada, podemos aspirar a que una IA invente nuevos materiales solamente con que se lo pidamos”, afirma.

Pero, en este caso, el proceso “es bastante más complicado”: “Disponemos de muchos menos datos para entrenar la IA, y no basta con dibujar el material en un ordenador, hay que crearlo en el laboratorio, medir sus propiedades, manufacturarlo a gran escala e integrarlo en dispositivos y cadenas de suministro”, matiza el experto del MIT. El camino para crear un material comercial se compone de tantos pasos que a día de hoy no se puede atribuir el éxito solo a la IA, aunque cada vez más etapas del proceso incorporan esta tecnología.

Arena para gatos de la generación Alfa

Un ejemplo: junto con otros investigadores, Gómez explora aplicaciones de la IA para imaginar y sintetizar nuevas zeolitas, una sustancia presente en productos tan dispares como la arena para gatos o los catalizadores de vehículos diésel, además de usarse en la eliminación de uno de los gases con mayor efecto invernadero, el metano atmosférico. “Estamos creando nuevos materiales de bajo coste capaces de purificar las emisiones de motores o crear productos químicos más sostenibles”, afirma.

Tanto pequeñas startups como gobiernos y laboratorios de grandes compañías tecnológicas (Google, IBM o Microsoft, entre ellas) cuentan con equipos especialistas en programación de algoritmos para innovar en este campo. Desde hace más de una década, la iniciativa del Genoma de Materiales, en Estados Unidos, combina simulaciones, IA y experimentación de laboratorio que acortan los tiempos de desarrollo. “En China existe un programa similar, y también Europa dedica fondos de investigación a IA para materiales”, añade Gómez.

Es el caso de Google DeepMind, que ha utilizado esta tecnología para predecir las estructuras de 2,2 millones de nuevos materiales. De hecho, según la revista científica Nature, en noviembre de 2023 ya se habían creado en el laboratorio y se estaban probando unos 700. Por su parte, la Universidad de California Berkeley ha sintetizado decenas de materiales predichos por simulaciones automatizadas, sin intervención manual alguna. Sin embargo, Gómez subraya que hoy por hoy no se sabe para qué serían particularmente útiles.

A IBM le interesa pensar en los sistemas IA como “asistentes creativos”, explica Juan Bernabé-Moreno, director de IBM Research Europa para Reino Unido e Irlanda: “Pueden ser capaces de leer decenas de miles de documentos y patentes en segundos, realizar simulaciones en un abrir y cerrar de ojos y generar miles de nuevas ideas e hipótesis”. De hecho, la compañía ha creado un prototipo, llamado Fotogenerador, para rediseñar un material utilizado en la fabricación de chips.

Gómez destaca que las IA “también podrían imaginar pantallas de televisión plegables, transparentes y de bajo consumo, semiconductores para procesadores más rápidos o memorias más densas, aleaciones ultrarresistentes en aviones, cohetes y reactores nucleares de fusión, o textiles más reciclables”.

Taller de implantes y tejidos humanos

Por su parte, David Fairén, catedrático de Ingeniería Molecular en la Universidad de Cambridge, apunta que pueden favorecer una administración de fármacos más precisa y menos invasiva, el desarrollo de implantes compatibles con el cuerpo humano o la regeneración de tejidos orgánicos. Si la resistencia a los antibióticos es uno de los desafíos del siglo XXI, varios laboratorios exploran cómo los materiales con propiedades antimicrobianas ayudarán a prevenir y combatir las infecciones.

Normalmente pasan dos décadas desde que un material se inventa hasta su uso comercial. Por lo tanto, “para los objetivos de 2050 en la lucha contra el cambio climático, tenemos unos seis años” de margen, explica Rafael Gómez. En este sentido, Fairén destaca su papel clave en la transición energética “al mejorar la eficiencia de los paneles solares, desarrollar baterías con mayor capacidad y durabilidad, crear nuevos absorbentes en la captura efectiva de CO2 o almacenar hidrógeno a baja presión”. Otros investigadores tratan de crear materias biodegradables que contribuyan a mermar la contaminación por plásticos, purificar el agua o el aire y desarrollar catalizadores para la degradación de los polímeros.

Tres aplicaciones (ojalá) realistas

Tus ventanas podrían generar electricidad. Algunos laboratorios buscan materiales que permitan crear paneles solares transparentes. Podrían emplazarse sobre cristales y convertir las ventanas, al menos las que tengan una orientación favorable, en pequeñas plantas generadoras de energía. Panasonic ya ha presentado prototipos de paneles con distintos grados de opacidad.

Medicinas a temperatura ambiente. A veces el problema no es disponer de una vacuna, sino mantenerla a baja temperatura y conservar la cadena de frío para que funcione. La investigación en nanomateriales quiere desarrollar medicamentos libres de esa limitación y también ensaya superconductores que no necesitan refrigeración criogénica para hacer más eficientes y baratas las resonancias magnéticas y otras técnicas de diagnóstico.

Baterías de ion de sodio. ¿Por fin una alternativa al litio? Que si el litio se acaba, que sin él será imposible una transición energética plena... Temores razonables. De ahí la búsqueda de soluciones como baterías basadas en materias primas mucho más abundantes. Por ejemplo, el sodio. La ciencia de materiales ayuda a superar sus frenos, como mejorar la densidad energética o la resistencia a los ciclos de carga y descarga. El fabricante de vehículos BYD ha comenzado a construir su primera fábrica de este tipo de baterías.