Cómo jugar con los átomos

La necesidad es generar una tecnología respetuosa con el medio ambiente, sostenible también desde el punto de vista de la explotación de los trabajadores, y que permita a los países romper la dependencia que actualmente tienen de otros estados (muchos de ellos con regímenes no especialmente cuidadosos con estos principios) para poder apostar por su desarrollo industrial e innovador sin ataduras. El objetivo es conseguir generar esos materiales que actualmente sólo pueden obtenerse de la naturaleza, allá donde se encuentran. El camino, proyectos como el que actualmente desarrolla el Centro Internacional de Materiales Avanzados y Materias Primas (Icamcyl), con sede en León, donde desarrolla las investigaciones con el objetivo también de atraer talento excelente y situarse en la punta de lanza de la innovación en la Unión Europea. La herramienta, el genoma de materiales.

Una propuesta que nació en Estados Unidos en 2011, cuando el Gobierno de Obama y las empresas tecnológicas afrontaron una realidad creciente: el desarrollo TIC avanza más rápido que las tecnologías que el mercado necesita para fabricarlo. Una necesidad urgente, que no puede esperar años a que se innove en los materiales utilizados. Surge así el genoma de materiales, que utiliza principios y desarrollos de la física y la mecánica cuánticas, las estructuras atómicas de distintos materiales, y otras tecnologías costosas, pero ya disponibles en la actualidad, para avanzar en este sentido.

«Para explicarlo de forma sencilla, se trata de jugar como si fuera un mecano de átomos, y ordenarlos de distintas formas hasta que se pueda crear un material con características como las que se buscan, y que además pueda predecirse que sea estable. El objetivo final es descubrir nuevos materiales que puedan ser utilizados por la industria, y que sustituyan a los que se emplean actualmente, que son los que se encuentran en la naturaleza».

Lo explica Santiago Cuesta, experto en genoma de materiales y director general de Icamcyl. «La idea es estudiar todas las combinaciones posibles gracias a las posibilidades que ofrecen los supercomputadores, la física cuántica, la cristalografía estructural de la materia,... Acelerar los procesos para tener nuevos materiales de forma rápida, y analizar cuáles son sus propiedades. Y, a partir de ahí, diseñarlos y utilizarlos según las necesidades».

Supercomputación, física y mecánica cuántica, inteligencia artificial, big data, machine learning... El objetivo es generar nuevos materiales. DL

Aunque, indica Cuesta, «también puede plantearse a la inversa: la industria señala la necesidad de nuevos materiales con determinadas características, y la investigación se encarga de conseguirlos».

Este desarrollo es una de las prioridades de la UE, que está poniendo en marcha programas de cooperación internacional de innovación que permitirán a sus investigadores acceder a los millonarios fondos previstos para estas iniciativas en los próximos años. Icamcyl participa en el proyecto Maltose, que se desarrolla dentro del pilar de Ciencia Excelente en el Programa Europeo de Investigación e Innovación Horizonte 2020. Forma parte de las acciones Marie Sklodowska-Curie (MSCA), que favorecen el intercambio de investigadores de prestigio para mejorar la movilidad y la competitividad a través del intercambio de conocimientos.

Estados Unidos desarrolla el genoma de los materiales (denominado así como analogía al mapa del ADN humano, por la decodificación molecular de todas las combinaciones posibles de los materiales) desde hace casi una década, y con la implicación de los departamentos de Defensa y Energía, además de la Fundación Nacional de Ciencias y la Nasa. Ahora la UE pretende avanzar rápidamente en este campo para competir tecnológicamente con EE UU, y el proyecto que dirige Santiago Cuesta está a la vanguardia de esta iniciativa.

«La idea, destaca el físico, es optimizar los procesos, también el de la investigación. Porque estos procesos pueden durar años, entre investigar las propiedades de los átomos para ver cómo se comportan a recrear el proceso de manufactura. Se trata de desarrollar metodologías que cojan la tabla periódica de los elementos y prueben todas las posibles combinaciones». Al menos así era hasta ahora. Prácticamente irrealizable, porque existen entre 50.000 y 200.000 compuestos inorgánicos estables, y era imposible analizar todas las combinaciones posibles.

«Sin embargo, los desarrollos tecnológicos hacen posible esta investigación, además de forma asequible». Los supercomputadores y las reglas de la física y la mecánica cuántica permiten «jugar con las posibles combinaciones y ser los más efectivos posible en la predicción de esos materiales».

Avances a los que se suman los logrados en inteligencia artificial, big data, cloud computing, machine learning, redes neuronales artificiales,... «Todo ello ha tenido una enorme explosión en los últimos cinco años, y nos permite explorar esas combinaciones de una manera mucho más eficiente.

Para avanzar en estas investigaciones utilizan los algoritmos genómicos, que «van descartando posibilidades. Porque los cálculos cuánticos en los superordenadores son muy costosos, así que es necesario utilizar también la inteligencia artificial, el aprendizaje de las máquinas, etc., para avanzar de manera muy rápida en las combinaciones y descubrir cuanto antes aquellas que podamos aplicar».

Unos desarrollos que serán aplicables «en cualquier campo. Ya se están utilizando, por ejemplo, en la creación de nuevas baterías. En el proyecto Maltese, el objetivo principal es descubrir nuevos materiales que tengan una gran eficiencia en la producción de electricidad, para desarrollar una nueva generación en la industria fotovoltaica».

El programa trata de aplicar las herramientas de cálculo computacional al desarrollo de nuevos semiconductores orgánicos, que se aplicarán en proyectos que para la UE son estratégicos, como la producción de energía renovable. El objetivo es desarrollar soluciones de bajo coste y que puedan ser fácilmente aplicadas por la industria para convertir la energía solar en eléctrica, con una mayor estabilidad y eficiencia. «Aunque las aplicaciones de estos nuevos materiales son muy numerosas, por ejemplo se ha avanzado mucho en fabricación de pantallas flexibles, o sensores con altas prestaciones».

Con este proyecto, entre otros en los que Icamcyl tiene una destaca participación en el programa investigador europeo en los próximos años, el centro tecnológico con sede en León (cuyo objetivo es el desarrollo de nuevos materiales, pero también el aprovechamiento de los recursos minerales de la provincia y la revitalización de las cuencas mineras a través de proyectos e industria basada en la nueva minería, sostenible) afianza su integración en la plataforma de especialización regional inteligente de la UE. Una plataforma en la que el centro lidera alguno de los proyectos piloto más avanzados, «aquellos en los que la I+D contribuye a generar los materiales del futuro, unos productos lo más reciclables posible, ecodiseñados para que utilicen los nuevos recursos en sustitución de las actuales materias críticas. Y que permitan, también, que la industria tecnológica europea no dependa tanto de esas materias, y de los países que las producen».

 

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Necesidad de una nueva tecnología

esarrollos tecnológicos para garantizar la calidad de vida del futuro, y para afrontar los retos a los que tendrá que enfrentarse la humanidad. Uno de los más importantes, la búsqueda de energías limpias. Y nuevos materiales para la construcción de estructuras sostenibles.

Investigación de excelencia

Los programas de la UE buscan el intercambio de investigadores de excelencia para avanzar en la innovación. Entre ellos se encuentra el director general del Icamcyl, Santiago Cuesta. Su especialización y trayectoria atrae a León proyectos punteros que cuentan con financiación europea