Desde que un óvulo es fecundado hasta que se convierte en un feto de nueve meses con órganos funcionales, listo para salir al mundo, las células viven un montón de procesos en los que no interviene ningún humano. Lo hacen todo por sí solas. La ciencia de materiales lleva años intentando imitar esta capacidad para conseguir que los materiales sean capaces de autoensamblarse, autoprogramarse y autorrepararse ante estímulos externos, pero sin ayuda humana.

¿Se imagina un edificio cuyas ventanas cambien de color de forma automática en función de la iluminación exterior o del tiempo atmosférico para actuar como filtros y regular la temperatura interior? Esa podría ser una de las futuras aplicaciones de un trabajo del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC (ICMM, y ambos en España). El equipo ha conseguido que millones de partículas organometálicas se autoensamblen como si fueran piezas de LEGO, pero de forma espontánea. Son las llamadas redes metalorgánicas porosas (MOF, por sus siglas en inglés), unas minúsculas superestructuras tridimensionales ordenadas, con propiedades como la porosidad y que se comportan como cristales fotónicos.

El profesor del Grupo de Cristales Fotónicos del ICMM Cefe López, uno de los investigadores del estudio sobre los MOF que se publicó el pasado mes de octubre en Nature Chemistry, explica: "Si coges ladrillos y los amontonas, es muy difícil que se forme una pila con periodicidad. Con bolas de cañón es más fácil. Hemos conseguido que partículas poliédricas como ladrillos interactúen, se ordenen y autoensamblen adecuadamente formando cristales que generan colores, como los materiales fotónicos". El investigador señala que "tienen una gran porosidad y pueden absorber otras sustancias, lo que las habilita para convertirse en sensores". Cuando "están en presencia de un material que son capaces de percibir, actúan como una alarma y se refractan en diferentes colores. La forma en que ese color cambia da una idea de qué sustancia es y de cuánta cantidad hay", añade.

Foto: Imágenes de difracción de la luz en estructuras autoensambladas cuando un láser incide sobre ellas. Crédito: Cefe López, Grupo de Cristales Fotónicos.

Si este procedimiento a nivel de laboratorio se industrializara, este tipo de cristales fotónicos podrían ayudar a resolver aspectos muy relevantes de la edificación, como unir eficiencia, sostenibilidad y belleza, apunta el científico. "Una futura aplicación de este material sería utilizarlo para recubrir ventanas con dos usos diferentes: crear filtros de colores para que los edificios tuvieran una estética realzada; y utilizarlos como células solares que capturen parte de la energía del Sol y la utilicen para generar electricidad", detalla López. Aunque matiza que estas "posibilidades aún se tienen que investigar", y asegura que con su tecnología actual "sería imposible autoensamblar un edificio completo".

Autoconstrucción inteligente

Pero tal vez en el futuro sí se pueda, o al menos, algunas partes. En el Self-Assembly Lab (Laboratorio de Autoensamblaje, en español) del MIT (EE. UU.), tratan de sacarle todo el partido posible a esta técnica. Investigaciones de este centro ya han demostrado que el autoensamblaje puede utilizarse para sistemas de autoconstrucción y fabricación sin importar la escala: tanto para muebles que se montan automáticamente como a niveles biomoleculares.

Otra de sus áreas de estudio es la materia programable, es decir, materiales que "se pueden programar para transformar su forma y propiedades de manera predecible ante estímulos ambientales como calor, luz o humedad", explica la investigadora del centro Athina Papadopoulou. Para crearlos, se utilizan procesos de modelado, fabricación robótica e impresión 3D con los que combinan materiales que reaccionan de forma distinta a un mismo estímulo. La investigadora detalla: "Si unimos dos sustancias con propiedades térmicas que se curvan de manera diferente ante una temperatura concreta, conseguimos determinar su transformación final".

Entre los materiales programables que investiga esta arquitecta griega hay compuestos de madera activados por calor y humedad, y compuestos de fibra de carbono, polímeros y textiles que se estimulan con calor. De momento, han sido producidos a pequeña escala y se están mostrando como casos de estudio.

Foto: Fibra de carbono programable que se transforma de forma autónoma cuando se le aplica calor. Crédito: Self-Assembly Lab, MIT + Carbitex LLC + Autodesk Inc.

Las ventajas de utilizar este tipo de materiales en el sector de la construcción respecto a los tradicionales son varias. "Por un lado, ahorran espacio en su envío y fabricación, lo que a su vez reduce los costes, ya que se pueden producir como hojas planas que luego adoptan su forma tridimensional completa cuando son expuestos a las condiciones ambientales apropiadas", señala Papadopoulou. También tienen una capacidad de adaptación al medio ambiente mucho mayor, lo que permitiría construir edificios inteligentes capaces de adaptarse a un entorno cambiante.

La investigadora imagina una serie de posibles usos, como "la envoltura de una casa que reaccione en función de la temperatura exterior para preservar el frío o el calor; paneles en las ventanas que actúen como un filtro de iluminación y controlen la cantidad de luz que entra; o, incluso, paredes de materiales programables que regulen las propiedades acústicas de un espacio". En su opinión, aunque "estas investigaciones en arquitectura son relativamente nuevas", resultan "muy prometedoras”.

Autorreparación y autonomía

Otro de los procesos que aumentaría la autonomía de los edificios es la autorreparación. Las investigadoras del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETcc, España) Ana Guerrero y Gloria Pérez estudian el hormigón autorreparable. Pérez explica su trabajo: "Metemos microcápsulas de sílice rellenas de un adhesivo (epoxi) dentro del diseño del material que cuando se rompen reparan las fisuras del hormigón". Otras investigaciones sobre autorreparación introducen esporas de bacterias y su nutriente dentro de los materiales. Cuando estos se rompen, el agua penetra y permite que la bacteria se active y se nutra. Una vez activado su metabolismo, son sus propios materiales de desecho los que tapan la fisura. Otro tipo de enfoque busca que sea la propia composición del hormigón la que arregle el problema, lo que se conoce como estrategia autógena. "El futuro de los autorreparables está en combinar distintas metodologías", apunta Guerrero.

Los beneficios de estas innovaciones están claros, aunque las investigadoras reconocen que también harían que los materiales resultaran más caros. Por ello, plantean su uso "en situaciones específicas en lugar de para reemplazar todos los compuestos de la construcción actuales”. Pérez detalla: "Hay aplicaciones en que compensa el gasto extra que va a tener este material. Por ejemplo, en una presa, en un túnel, en un pozo petrolífero, en construcciones en alta mar; en lugares de difícil acceso donde una fisura puede acarrear graves problemas".  

Foto: Microscopía electrónica de una fisura en el material autorreparable, en la que se ve el epoxi bloqueando la fisura en algunos puntos (en rojo). Crédito: IETcc-CSIC http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.02.015.

¿Será posible construir en el futuro un edificio, o al menos una gran parte de él, con este tipo de tecnologías? Según Papadopoulou, cada vez estamos más cerca. "Aunque la construcción es un proceso complicado que involucra muchos materiales y procesos diferentes, las tecnologías de autoensamblaje y los materiales programables avanzan tan rápido y forman parte de disciplinas tan diversas, que la posibilidad de edificar infraestructuras que crezcan in situ y de crear paredes que se transformen para adaptarse a las condiciones climatológicas parece ahora más cercana a la realidad que a la ciencia ficción", concluye la investigadora. Los edificios que se construyen solos (o, al menos, partes de ellos) están en camino; aunque, a diferencia del embrión humano que se autodesarrolla en nueve meses, esto tardará un poco más.

*Este reportaje se publicó originalmente en el Blog de Innovación de Sacyr el 27/12/2017