En el Día Mundial de los Materiales, Ricardo Rojas y Delgado y Marcelo Mariscal analizan las tendencias en este campo y describen los avances de sus equipos radicados en la Universidad pública. Una oportunidad para poner en valor la efeméride establecida en 2003 por la Federación Europea de Sociedades de Materiales (FEMS) y para conocer el impacto de los estudios que se realizan en Córdoba con proyección internacional.
Cada vez que despertamos, cientos de materiales comienzan a incidir en nuestra cotidianeidad. Al ir al supermercado, por mencionar un hábito común de las sociedades actuales, décadas de investigación científica se traducen en envases, productos, sistemas informáticos y diversos dispositivos que van desde las pantallas que nos reciben hasta el papel del ticket que nos entregan al retirarnos. Cada elemento fue diseñado para alcanzar mejores condiciones de vida.
“En Ciencias Químicas, cuando hablamos de materiales, nos referimos al estudio de su estructura y su relación con sus propiedades. Este conocimiento básico es esencial para el diseño de nuevos materiales con características específicas destinadas a resolver problemas concretos”, asegura Ricardo Rojas y Delgado.
En su laboratorio radicado en el Departamento de Fisicoquímica y el Instituto de Investigaciones en Físico-Química de Córdoba (INFIQC) -de la Facultad de Ciencias Químicas (FCQ), de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC), y CONICET- el científico y su equipo desarrollan biomateriales biomiméticos, es decir estructuras diseñadas para reemplazar temporalmente al hueso lesionado mientras el propio cuerpo lo regenera combinando polímeros (sintéticos y naturales) con partículas inorgánicas.
“De este modo, buscamos que el material tenga una resistencia similar a la del hueso nativo y permita que las células crezcan sobre él para que se vaya reabsorbiendo de forma controlada, a medida que el tejido nuevo se forma”, explica Rojas y Delgado. Esta es una de las novedades que la Ciencia de Materiales impulsa a nivel mundial con el fin de incidir no sólo en los objetos que nos rodean sino también en nuestro cuerpo.
Según Marcelo Mariscal, entre las tendencias que están transformando este campo se destaca la incorporación de la Inteligencia Artificial (IA) y laboratorios autónomos al descubrimiento y diseño de nuevos materiales. Asimismo, existe un gran desarrollo de investigaciones enfocadas en materiales estratégicos destinados a las grandes transformaciones tecnológicas y energéticas.
El exdecano, docente e investigador del Departamento de Química Teórica y Computacional de la FCQ considera que la combinación de IA con simulaciones computacionales y experimentos permite “predecir propiedades y explorar nuevos materiales con una velocidad que hasta hace pocos años era impensable”.
Como caso, menciona el proyecto A-Lab, del Berkeley National Lab, un laboratorio robotizado que combina cálculos cuánticos, bases de datos de materiales y modelos entrenados con la literatura científica para proponer recetas de síntesis, ejecutarlas con brazos robóticos, analizar el resultado y corregir la receta sin intervención humana. “En ese proceso, el científico sigue siendo central, ya que define los objetivos y, a su vez, interpreta y valida lo que la máquina propone”, aclara Mariscal.
En cuanto al desarrollo de materiales estratégicos aplicados a la producción de energías renovables, destaca el surgimiento de nuevos catalizadores, membranas y electrodos para producir hidrógeno verde, amoníaco verde, pilas de combustible, electrolizadores, baterías y la posibilidad de convertir el dióxido de carbono (CO₂) en productos útiles.
A estos avances se les suman 2 elementos que, cada vez más, aparecen como causas de los conflictos geopolíticos actuales: los semiconductores -fundamentales para fabricar chips más potentes y eficientes- y materiales críticos como las “tierras raras”, indispensables para muchas tecnologías como los smartphones.
La inteligencia de esos dispositivos depende en gran medida de ese grupo de 17 elementos químicos o metales que constituyen lo que se conoce como “tierras raras”. En el caso de los celulares, casi todos los sistemas de su hardware dependen de minerales como el neodimio (Nd), el praseodimio (Pr), el disprosio (Dy), el itrio (Y), el terbio (Tb), el europio (Eu), el lantano (La) y el cerio (Ce), que están presentes en las pantallas LED, los parlantes, el micrófono, la cámara o los circuitos electrónicos.
“En este caso existe un desafío geopolítico: muchos de estos materiales dependen de cadenas de suministro concentradas en pocos países. Por eso, la investigación también busca desarrollar alternativas más abundantes, económicas y sostenibles, así como nuevas tecnologías para recuperarlos y reciclarlos”, advierte Mariscal -profesor distinguido por la Universidad de La Laguna- desde Tenerife (España) donde se encuentra realizando una estadía de investigación.
Regeneración ósea: desde la impresión 3D hasta la reparación del tejido
“Nuestro objetivo consiste en diseñar materiales e insumos para la impresión 3D de soportes –conocidos como “andamios”- destinados a la regeneración ósea y combinarlos con cultivos celulares tridimensionales para acelerar la reparación del tejido”, explica Ricardo Rojas y Delgado.
En Ciencia de Materiales, se le llama “andamio” a una estructura 3D altamente porosa que sirve como soporte físico y guía biológica para la regeneración de tejidos vivos ya que, al igual que el andamio de una obra, otorga el armazón temporario para que las células (los obreros) puedan trabajar en el nuevo tejido (la obra). Una vez logrado el objetivo, tal como sucede en una construcción, el andamio se quita, por lo que en este caso se biodegrada de forma controlada hasta desaparecer sin problemas.
En este tiempo, el equipo de Rojas y Delgado alcanzó 2 avances muy importantes: por un lado, logró formular soportes 3D personalizados y, por otro, desarrolló biotintas para integración celular.
Según el fisicoquímico, los materiales formulados en los laboratorios de la FCQ “permiten fabricar implantes temporales a la medida de la lesión de cada paciente mediante impresión 3D, garantizando una resistencia mecánica adecuada y una degradación sincrónica con el proceso de regeneración”.
En cuanto a las biotintas, se tratan de hidrogeles de alginato -un tipo de polímero que, en odontología, se usa para tomar impresiones de las arcadas dentales y obtener modelos de estudio preliminares para el diseño de prótesis y coronas- capaces de incorporar eficientemente células vivas. De este modo, es posible promover la posterior diferenciación con las células encargadas de sintetizar el nuevo tejido óseo.
“Estos desarrollos resultan clave para ofrecer terapias reconstructivas más efectivas y personalizadas. Al permitir la fabricación de soportes a la medida del defecto óseo, se pueden reducir los tiempos de recuperación en cirugías complejas como en el caso de una reconstrucción maxilofacial, tras una extracción dental severa, o en la reparación de hueso luego de la eliminación de un tumor”, comenta el investigador.
En los próximos meses, el equipo liderado por Rojas y Delgado avanzará en la integración de los dispositivos impresos en 3D con los cultivos celulares. Según el científico, “la meta es diseñar “andamios” con una porosidad que permita alojar las células en su interior, logrando un sistema híbrido que combine el soporte mecánico de la estructura con la capacidad regenerativa de las células”.
Simulaciones, nanomateriales, energía y electroquímica
El equipo que Marcelo Mariscal dirige en el laboratorio del Departamento de Química Teórica y Computacional e INFIQC (FCQ, UNC-CONICET) se dedica a la simulación multiescala de nanomateriales para energía y electroquímica.
“Trabajamos para comprender cómo se relaciona la estructura de un material con sus propiedades y con su desempeño en una aplicación concreta y, de esa forma, contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías”, explica el científico. Estas tecnologías se relacionan con la generación y el aprovechamiento eficiente de la energía.
Debido a su especialización, el grupo emplea simulaciones computacionales avanzadas que resultan verdaderos laboratorios virtuales. “Combinamos conocimientos de Química, Física, Ciencia de Materiales y, más recientemente, IA para contribuir con el diseño de materiales más eficientes, económicos y sostenibles”, describe Mariscal.
En estos desarrollos hay un dato clave: los estudios están basados en nanomateriales, es decir materiales con tamaño extremadamente pequeño que puede ir, por ejemplo, entre 1 y 100 nanómetros. Para tener en cuenta: 1 nanómetro es la millonésima parte de 1 milímetro.
Debido a esto, las propiedades químicas de los nanomateriales pueden cambiar con respecto al mismo material en escala normal. En ese sentido, abordarlos mediante simulaciones y estudios computacionales resulta fundamental. En ese marco, este equipo de la FCQ ya logró importantes desarrollos, tales como:
- Hidrógeno como fuente de energía. A partir de investigar qué ocurre a escala molecular dentro de las celdas de combustible -dispositivos capaces de transformar la energía química del hidrógeno en electricidad- el grupo logró identificar cómo la estructura y la composición de los materiales que integran estos dispositivos afectan el transporte de agua y gases, condicionando su funcionamiento. Un aporte muy valioso para los desarrollos que impulsan al hidrógeno como energía alternativa.
- Las potencialidades del grafeno. Este material está formado por una capa de átomos de carbono que posee propiedades extraordinarias. El equipo estudió diferentes maneras de modificar su estructura a escala atómica para controlar la transferencia de calor o diseñar catalizadores incorporando átomos metálicos individuales en su estructura.
Según Mariscal, “estos materiales -conocidos como catalizadores de átomo único (SAC)- representan una alternativa muy prometedora porque reducen potencialmente la cantidad de metales necesarios para determinadas reacciones químicas”. Recientemente, su grupo publicó un trabajo en la revista Dalton Transactions (RSC), que fue seleccionado para ilustrar la portada (foto).
En cuanto a las proyecciones, el equipo tiene en agenda avanzar en el estudio de materiales para celdas de combustible incorporando simulaciones que reproduzcan de manera más realista las condiciones en las que funcionan estos dispositivos. Asimismo, continuará desarrollando nuevos electrocatalizadores para la transformación de dióxido de carbono, enfocándose en materiales basados en combinaciones de cobre y bismuto.
Por último, y acorde con las tendencias en esta área, las y los especialistas incorporarán herramientas de IA a las simulaciones computacionales que ya vienen realizando en su laboratorio. “Esto nos permitirá estudiar sistemas de mayor complejidad y acelerar considerablemente la búsqueda de nuevos materiales con propiedades específicas”, anticipa el exdecano, docente e investigador.
El trabajo de estas y estos expertos tiene incidencia concreta en la sociedad, ya que contribuye al desarrollo de tecnologías destinadas a utilizar la energía de manera más eficiente para reducir su impacto ambiental, un objetivo imprescindible de la agenda global.
¿Cómo se pueden mejorar las celdas de combustible para impulsar sistemas de transporte y generar electricidad en base a hidrógeno producido de manera sostenible? ¿Qué dispositivos son capaces de controlar las propiedades térmicas de nuevos materiales y contribuir en la generación de tecnologías que aprovechen la energía y reduzcan las pérdidas en forma de calor? Estas son algunas de las preguntas que orientan los planes del equipo.
A ellas se les suma el desafío de encontrar materiales que actúen como catalizadores para transformar el dióxido de carbono en productos químicos de utilidad industrial. Una alternativa de gran interés en el contexto de la sostenibilidad ambiental, capaz de dar vuelta la página dentro de lo conocido hasta ahora en este campo.
“En todos estos casos, se trata de investigación científica básica generada desde la Universidad pública. Es decir, conocimientos que puedan convertirse en soluciones concretas en el futuro y, además, que impacten en la formación de investigadores y profesionales altamente especializados, capaces de desarrollar tecnologías que contribuyan al crecimiento de nuestro país”, asegura Marcelo Mariscal.
Equipos
“Materiales bioactivos basados en materiales compuestos de polímeros y partículas inorgánicas”
-Director: Ricardo Rojas y Delgado.
-Integrantes: Juan Pablo Zanin, Germán Gil, Corina Marengo Viada y Luciana Lardone.
-Estudiante: Gianella Bertossi.
“Simulación multiescala de nanomateriales para energía y electroquímica”
-Director: Marcelo Mariscal.
-Integrantes: Germán Soldano, Nathaniel Balderramas Morgan, Alfonsina Cipollone y Alberto Sánchez.
Redacción: Cristian Walter Celis. Fotografías: Macarena Calvo.
