La era de los materiales impensables

De la Edad de Piedra, Bronce, Hierro, Pl¨¢stico o Silicio a la innovaci¨®n en materiales de una nueva fase de la civilizaci¨®n con la IA como aliada. Promete acelerar la creaci¨®n de nuevas materias con propiedades capaces de catapultar industrias como la m¨¦dica, el transporte o los semiconductores. Se usar¨¢n ¡°desde el hormig¨®n y el acero en rascacielos a las zapatillas de correr, las pantallas de realidad aumentada o las vacunas¡±, afirma Rafael G¨®mez Bombarelli, profesor en el Departamento de Ciencia e Ingenier¨ªa de Materiales del Instituto Tecnol¨®gico de Massachusetts (MIT).

Estos nuevos compuestos facilitan herramientas poderosas para responder a necesidades sociales como los retos clim¨¢ticos. ¡°Como intentamos reducir nuestro impacto ambiental, existe un gran inter¨¦s en generar materiales biodegradables o con una alta capacidad de captaci¨®n 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 investigaci¨®n y transferencia en biotecnolog¨ªa 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, tambi¨¦n son ¨²tiles para mejorar los existentes. De acuerdo con Mar¨ªa Bernechea, investigadora ARAID en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Arag¨®n, pueden ayudar a abaratar costes o a dise?ar dispositivos m¨¢s ligeros, r¨¢pidos, duraderos o deformables. La IA impulsar¨¢ una nueva generaci¨®n de materiales capaces de ensamblarse por s¨ª solos o con memoria para modificar su forma al reaccionar ante est¨ªmulos como el pH o la temperatura.

Pero no hablamos de un progreso sencillo. Descubrir una nueva materia evolucionada en desempe?o y coste es, seg¨²n G¨®mez, ¡°buscar una aguja en un pajar¡± por el enorme n¨²mero de posibilidades al combinar los elementos de la tabla peri¨®dica. ¡°De la misma forma que la IA generativa crea im¨¢genes 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 m¨¢s 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 d¨ªa de hoy no se puede atribuir el ¨¦xito solo a la IA, aunque cada vez m¨¢s etapas del proceso incorporan esta tecnolog¨ªa.

Arena para gatos de la generaci¨®n Alfa

Un ejemplo: junto con otros investigadores, G¨®mez 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 veh¨ªculos di¨¦sel, adem¨¢s de usarse en la eliminaci¨®n de uno de los gases con mayor efecto invernadero, el metano atmosf¨¦rico. ¡°Estamos creando nuevos materiales de bajo coste capaces de purificar las emisiones de motores o crear productos qu¨ªmicos m¨¢s sostenibles¡±, afirma.

Tanto peque?as startups como gobiernos y laboratorios de grandes compa?¨ªas tecnol¨®gicas (Google, IBM o Microsoft, entre ellas) cuentan con equipos especialistas en programaci¨®n de algoritmos para innovar en este campo. Desde hace m¨¢s de una d¨¦cada, la iniciativa del Genoma de Materiales, en Estados Unidos, combina simulaciones, IA y experimentaci¨®n de laboratorio que acortan los tiempos de desarrollo. ¡°En China existe un programa similar, y tambi¨¦n Europa dedica fondos de investigaci¨®n a IA para materiales¡±, a?ade G¨®mez.

Es el caso de Google DeepMind, que ha utilizado esta tecnolog¨ªa para predecir las estructuras de 2,2 millones de nuevos materiales. De hecho, seg¨²n la revista cient¨ªfica Nature, en noviembre de 2023 ya se hab¨ªan 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 intervenci¨®n manual alguna. Sin embargo, G¨®mez subraya que hoy por hoy no se sabe para qu¨¦ ser¨ªan particularmente ¨²tiles.

A IBM le interesa pensar en los sistemas IA como ¡°asistentes creativos¡±, explica Juan Bernab¨¦-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 hip¨®tesis¡±. De hecho, la compa?¨ªa ha creado un prototipo, llamado Fotogenerador, para redise?ar un material utilizado en la fabricaci¨®n de chips.

G¨®mez destaca que las IA ¡°tambi¨¦n podr¨ªan imaginar pantallas de televisi¨®n plegables, transparentes y de bajo consumo, semiconductores para procesadores m¨¢s r¨¢pidos o memorias m¨¢s densas, aleaciones ultrarresistentes en aviones, cohetes y reactores nucleares de fusi¨®n, o textiles m¨¢s reciclables¡±.

Taller de implantes y tejidos humanos

Por su parte, David Fair¨¦n, catedr¨¢tico de Ingenier¨ªa Molecular en la Universidad de Cambridge, apunta que pueden favorecer una administraci¨®n de f¨¢rmacos m¨¢s precisa y menos invasiva, el desarrollo de implantes compatibles con el cuerpo humano o la regeneraci¨®n de tejidos org¨¢nicos. Si la resistencia a los antibi¨®ticos es uno de los desaf¨ªos del siglo XXI, varios laboratorios exploran c¨®mo los materiales con propiedades antimicrobianas ayudar¨¢n a prevenir y combatir las infecciones.

Normalmente pasan dos d¨¦cadas desde que un material se inventa hasta su uso comercial. Por lo tanto, ¡°para los objetivos de 2050 en la lucha contra el cambio clim¨¢tico, tenemos unos seis a?os¡± de margen, explica Rafael G¨®mez. En este sentido, Fair¨¦n destaca su papel clave en la transici¨®n energ¨¦tica ¡°al mejorar la eficiencia de los paneles solares, desarrollar bater¨ªas con mayor capacidad y durabilidad, crear nuevos absorbentes en la captura efectiva de CO2 o almacenar hidr¨®geno a baja presi¨®n¡±. Otros investigadores tratan de crear materias biodegradables que contribuyan a mermar la contaminaci¨®n por pl¨¢sticos, purificar el agua o el aire y desarrollar catalizadores para la degradaci¨®n de los pol¨ªmeros.

Tres aplicaciones (ojal¨¢) realistas

Tus ventanas podr¨ªan generar electricidad. Algunos laboratorios buscan materiales que permitan crear paneles solares transparentes. Podr¨ªan emplazarse sobre cristales y convertir las ventanas, al menos las que tengan una orientaci¨®n favorable, en peque?as plantas generadoras de energ¨ªa. 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 fr¨ªo para que funcione. La investigaci¨®n en nanomateriales quiere desarrollar medicamentos libres de esa limitaci¨®n y tambi¨¦n ensaya superconductores que no necesitan refrigeraci¨®n criog¨¦nica para hacer m¨¢s eficientes y baratas las resonancias magn¨¦ticas y otras t¨¦cnicas de diagn¨®stico.

Bater¨ªas de ion de sodio. ?Por fin una alternativa al litio? Que si el litio se acaba, que sin ¨¦l ser¨¢ imposible una transici¨®n energ¨¦tica plena... Temores razonables. De ah¨ª la b¨²squeda de soluciones como bater¨ªas basadas en materias primas mucho m¨¢s abundantes. Por ejemplo, el sodio. La ciencia de materiales ayuda a superar sus frenos, como mejorar la densidad energ¨¦tica o la resistencia a los ciclos de carga y descarga. El fabricante de veh¨ªculos BYD ha comenzado a construir su primera f¨¢brica de este tipo de bater¨ªas.