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Desde la pantalla de nuestros teléfonos hasta la pintura de los autos, los materiales que usamos a diario han sido diseñados y mejorados a lo largo del tiempo para cumplir funciones específicas. Muchas veces no somos conscientes de los procesos científicos detrás de estos avances, pero detrás de cada material hay un largo camino de investigación y desarrollo.
Por ejemplo, los recubrimientos antiadherentes en las sartenes o las fibras sintéticas en la ropa deportiva son el resultado de estudios que han permitido modificar la estructura de los materiales para mejorar su desempeño. Detrás de estos desarrollos se encuentra una disciplina clave: la química de materiales.
La química de materiales es una disciplina fundamental dentro de la ciencia, encargada de estudiar y clasificar los diferentes tipos de materiales según sus propiedades químicas y aplicaciones.
Según Diego Oyarzún, Doctor en Ciencias con mención en Química y director del Departamento de Química y Biología de la Universidad de Atacama, «es un tipo de clasificación química que existe para ordenar los tipos de materiales que se utilizan para atender diferentes necesidades en ámbitos muy diversos». Dentro de esta área, la clasificación más común se basa en cinco tipos principales de materiales, que luego se subdividen en categorías más específicas.
Este artículo es como una guía para aficionados que quieren adentrarse en este mundo. Diego Oyarzún, en su rol de divulgador, nos llevará por un paseo desde los fundamentos de la química de materiales hasta sus aplicaciones más novedosas y cotidianas en nuestras vidas.
Acá vamos.
Objetivo de la química de materiales
La meta de la química de materiales es desarrollar nuevos materiales con características específicas para distintas necesidades, como en la construcción, la ingeniería o la medicina. También se puede concentrar en el estudiar y mejorar las propiedades de materiales que ya existen y podemos encontrar en su forma natural.
Pero hay algo en lo nuevo, en lo aún no creado, que genera mucho interés. «Sintetizamos nuevos materiales, los caracterizamos con técnicas instrumentales de alta tecnología, estudiamos sus propiedades y a través de la colaboración científica con otros grupos de investigación, son evaluados en diferentes tipos de aplicaciones», señala Diego.
Esta disciplina tiene un fuerte componente aplicado. «Principalmente, hay muchos tipos de problemáticas medioambientales, en el ámbito de la medicina y la biotecnología», explica. «Estos nuevos materiales se van sintetizando, obteniendo o preparando, ya sea separándolos de una matriz natural, extrayéndolos de un mineral o a través de una síntesis química en el laboratorio».
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Una disciplina interdisciplinaria
La química de materiales se cruza con muchas otras áreas del conocimiento. «Por ejemplo, trabajamos con óxidos metálicos como el óxido de titanio, un material con muchas aplicaciones en diversas áreas como la construcción, biorremediación, medicina y entre otras «, comenta Oyarzún. «Es un material biocompatible que hasta la fecha no se ha demostrado toxicidad».
En su laboratorio, han desarrollado diferentes formas nanoestructuradas de este material, como tubos, hilos, esferas o cápsulas en los que pueden modificar las propiedades superficiales. «Podemos anclar medicamentos o antibióticos. Por ejemplo, hemos trabajado encapsulando antibióticos para abordar la contaminación en las salmoneras del río Valdivia y el Calle-Calle».
Oyarzún también menciona aplicaciones más recientes: «Estos mismos materiales los estamos funcionalizando con moléculas con propiedades magnéticas para posteriormente ser evaluados en tratamientos contra el cáncer».
Historia y evolución de la química de materiales
La química de materiales es una disciplina relativamente nueva, que se ha puesto en boga en las últimas décadas. «Existe una línea muy delgada entre la química de materiales, la física de materiales y la ingeniería de materiales», explica Oyarzún.
«Esta separación comenzó hace unos 30 o 40 años, cuando se empezó a clasificar los materiales según sus propiedades y aplicaciones».
Dentro de estas categorías, se encuentran los metales, los semiconductores, los polímeros y los materiales cerámicos. «También existen los materiales compuestos, que combinan propiedades de estos tipos», agrega.
Si algunos de estos términos te marean, aterricemos un poco. Los semiconductores son esenciales en la electrónica moderna (el silicio, óxidos metálicos, por ejemplo, es la base de los microchips en computadoras y teléfonos inteligentes), mientras que los polémicos polímeros se encuentran en plásticos utilizados en envases, textiles y componentes automotrices.
Enseñanza de la química de materiales
En la Universidad de Atacama, como en muchas otras instituciones, la química de materiales se enseña en las etapas finales de la licenciatura en ciencias o química. «Siempre está incluida en la mayoría de las mallas, tanto nacionales como internacionales», dice Oyarzún. «Generalmente, se ubica entre tercer y cuarto año, ya que requiere una base en química general, analítica, electroquímica y fisicoquímica».
Según Oyarzún, este curso es mayormente teórico: «Entrega mucho contenido y habilidades que luego los estudiantes aplican en sus tesis e investigaciones». Esto les permite elegir un laboratorio y una línea de investigación en la que especializarse.
Infraestructura y tecnología en la química de materiales
El estudio de materiales requiere equipamiento de alta gama. «Siempre es importante demostrar que un material es distinto a lo que ya está reportado o patentado», explica Oyarzún. «Por eso, necesitamos equipamiento muy caro y específico».
Para lograrlo, los investigadores dependen de redes de colaboración nacionales e internacionales.
Entre las técnicas utilizadas Diego menciona las siguientes:
- Microscopía de alta resolución, que permite observar la estructura de los materiales a escala nanométrica (fuente).
- Difracción de rayos X, que se utiliza para analizar la disposición atómica y la estructura cristalina de un material (fuente).
- Espectrometría de masas, que identifica la composición química midiendo la relación masa-carga de sus partículas (fuente).
«Estas herramientas permiten demostrar que el material obtenido es nuevo, puro y tiene una estructura cristalina distinta a lo reportado», añade.
Creación y aplicación de nuevos materiales
Mencionamos al comienzo que hay una línea de investigación de la química de materiales que se centra en el estudio de los elementos ya existentes.
Sin embargo, hay investigadores que se dedican exclusivamente a la síntesis de nuevos compuestos. «Al cambiar una funcionalidad química, una parte anclada a una estructura, ya podemos obtener una molécula nueva la que podría darle diferentes características a los materiales de interés», explica Oyarzún. «Algunos solo se enfocan en la novedad, registrando sus descubrimientos en bases de datos como Cambridge».
Otros, en cambio, buscan aplicaciones prácticas. «Siempre tratamos de encontrar diferentes aplicaciones o características nuevas», dice Oyarzún. «Incluso pequeños cambios en el proceso de síntesis pueden hacer que el material tenga propiedades distintas».
Un ejemplo:
En 2024, científicos de la Universidad de Linköping en Suecia lograron producir ‘goldene’, una capa única de átomos de oro de 100 nm de ancho. Este material, al ser independiente y no estar unido a otros materiales, presenta propiedades ópticas destacadas, con potenciales aplicaciones en sensores y como catalizador.
Materiales en la vida cotidiana
La química de materiales ha permitido el desarrollo de muchos productos tecnológicos y cotidianos. «La tendencia en los últimos años es la miniaturización de los dispositivos», menciona Oyarzún. «Muchos materiales se están diseñando en formas nanométricas para mejorar sus propiedades».
Un ejemplo es el óxido de titanio: «Se usa mucho en medicina, pero también en dispositivos electrónicos, ya que es un material semiconductor que funciona como diodo o transistor».
Otro caso son los polímeros, que cargan con un problema de varias décadas: «Han evolucionado con el tiempo, pero también han generado una crisis medioambiental debido al uso indiscriminado de plásticos».
Futuro de la química de materiales
Desde los años 70 hasta la primera década del 2000, el desarrollo de polímeros dominó la química de materiales. «Varias universidades en Chile crearon departamentos de polímeros dentro de sus facultades de química», dice Oyarzún.
Sin embargo, la crisis ambiental ha cambiado la tendencia. «Ahora la búsqueda está en reemplazar estos materiales por opciones más sustentables, obtenidas a partir de biomasa».
En los últimos años, el foco ha estado en la reutilización y el reciclaje. «Si miras los temas más estudiados desde 2018 hasta ahora, son justamente esos: el reciclaje, la reutilización y el uso de materiales de origen natural», concluye Oyarzún.
Un ejemplo:
Investigadores de la Universidad de California en Berkeley han desarrollado un polvo amarillo conocido como marco orgánico covalente (COF) que puede absorber dióxido de carbono (CO₂) del aire de manera eficiente. Este material poroso y duradero tiene el potencial de capturar tanto CO₂ como un árbol, utilizando solo medio kilogramo de COF. Este avance representa un paso significativo hacia soluciones más efectivas para combatir la crisis climática.
Así, la química de materiales sigue evolucionando y su impacto es cada vez más amplio. Con nuevas tecnologías y aplicaciones en distintas industrias, esta disciplina continuará transformando el mundo en las próximas décadas.
