Industria    A fondo

Así es la nueva era de los materiales: el secreto del ‘hardware’ de la economía digital

La nanotecnología o el enfoque circular permiten que los compuestos avanzados cambien el modelo económico, abriendo una oportunidad única para España. INNOVADORES habla con seis expertos nacionales de la investigación y la empresa sobre esta transformación

01 ABR. 2020
22 minutos
Investigadores en uno de los laboratorios de CIC nanoGUNE.
Investigadores en uno de los laboratorios de CIC nanoGUNE. / Innovadores

En la nueva economía todo son unos y ceros. Nada más lejos de la realidad. Existe una innovación oculta que está transformando las reglas del comercio internacional y generando un beneficio directo en la salud de las personas y el bienestar del planeta. Es la nueva industria de los materiales: ocho de cada 10 innovaciones que aparecen en el mercado tiene detrás un material funcional, ya sea nuevo o con nuevas propiedades o con prestaciones mejoradas.

La tecnología y la ciencia impactan de lleno en los compuestos que usan los ciudadanos en su día y a día. También en los que determinarán su futuro. Gracias al poder de la nanotecnología o al enfoque de la economía circular, la Cuarta Revolución Industrial no solo va de lo digital, también de la materia que la sostiene. Y aquí España tiene una oportunidad que no puede dejar escapar.

INNOVADORES ha hablado con seis expertos nacionales de centros de investigación, institutos tecnológicos y empresas para analizar este cambio de modelo y analizar el papel de nuestro país en el nuevo torbellino de los materiales, que son como el ‘hardware’ en las tecnologías avanzadas.

Sustituto tierras raras

Tierras raras, metales escasos, minerales finitos… La nueva economía digital no sería posible sin el suministro de estos materiales (piense en las baterías de los coches eléctricos o la pantalla de su ordenador). Esta necesidad se ha visto traducida en una dependencia de los países consumidores con los países productores (no solo China, aunque principalmente). Pues bien, la nanotecnología puede romper este modelo comercial histórico.

La transformación de la materia a escala nanométrica permite dotar de nuevas propiedades a materiales comunes. Un conjunto de características que sustituyen a las de ciertas tierras raras procedentes de terceros países, abriendo una puerta a la "seguridad de suministro".

"La Unión Europea, desde hace tiempo, ha alertado de la necesidad de buscar alternativas a las materias primas críticas para no tener una dependencia tan grande". Así lo afirma el fundador y CEO de la empresa española Graphenea, Jesús de la Fuente, a INNOVADORES.

El experto no tiene dudas sobre los motivos que popularizarán el uso del grafeno. Primero, porque permite obtener cualidades inalcanzables con otros materiales. Segundo, porque puede sustituir determinadas tierras raras. Aunque reconoce que, de momento, se utiliza más en el primer caso ("los clientes se fijan mucho en el precio"), está convencido de que se llegará al segundo caso.

Un ejemplo: los catalizadores de los coches o de células de combustible necesitan platino, un material escaso. "Con algunos tipos de grafeno, aunque no sustituyan por completo el platino, sí reducen mucho su cantidad".

Un cambio del modelo económico con el que coincide Javier García, catedrático de Química Inorgánica y director del Laboratorio de Nanotecnología Molecular de la Universidad de Alicante (UA), quien incide en la oportunidad que se presenta para España. "Los países que tienen las tecnologías, el talento, las industrias y los equipos capaces de generar valor son los que liderarán la economía mundial", explica.

España, que carece de materias primas, ya apostó en los años 60 por este modelo. Ahora, además, es una "potencia" en nanotecnología. "Es el noveno país en cuanto a publicaciones científicas". También cuenta con empresas líderes en este ámbito. ¿Qué falta? "Una apuesta estratégica nacional entre la Administración y el sector privado", destaca García.

"En los sectores clave del tejido industrial español, como el textil o la alimentación, la nanotecnología puede aportar valor", subraya. Y, con especial relevancia, la sanidad. "España cuenta con el mejor sistema público de salud del mundo". Aquí los nuevos materiales tienen un potencial inigualable.

Biomedicina

Estamos ante el inicio de la era de la medicina personalizada, en la que las nuevas nanopartículas desempeñarán un gran papel tanto en el ámbito de los diagnósticos como en las terapias y tratamientos. Se trata de un tipo de tecnología electrónica que, a diferencia del sector teleco, no va a requerir de grandes tiradas en las líneas de fabricación, sino que estas deben ser más específicas y flexibles.

En este sector de la biomedicina, y también la nanomedicina, la transferencia del laboratorio al mercado es "más factible" en España, explica a INNOVADORES Xavier Obradors, investigador del CSIC y director del Institut de Ciència de Materials de Barcelona. "Hay muy buenos y potentes grupos de investigación biomédica para el desarrollo de sensores, como los que ahora están buscando para el COVID-19".

Estos nanomateriales funcionales, señala el investigador del CSIC, se están empleando mucho en el diagnóstico y seguimiento de tratamientos a través de biosensores, ópticos o electroquímicos, que debe ser muy sensibles y capaces de detectar bacterias, virus... "Están ‘funcionalizados’ con sistemas biológicos y con proteínas para detectar específicamente determinadas alteraciones".

Se están desarrollando nanomateriales para crear sistemas electrónicos de usar y tirar, ya sean biosensores o micro baterías, que se implementan, por ejemplo, en tiras de papel o en dispositivos específicos biomédicos. "Son nanomateriales muy sostenibles y tiene un coste muy reducido porque suelen ser de un solo uso".

Además, en biomedicina, también se están creando nanopartículas ligadas con moléculas determinadas para alterar sus propiedades y así poder, por ejemplo, aumentar el contraste en las resonancias magnéticas y detectar tumores o para liberar un medicamento en un sitio específico y de forma controlada.

Laboratorio de la empresa vasca Graphenea. Foto: Graphenea

El químico Javier García también resalta "el hecho de poder detectar moléculas a menores concentraciones o conformaciones que hasta ahora no era posible, lo que nos permite ir más allá de los límites, mejorando la detección y la monitorización de enfermedades", comenta.

Esta diversidad de biosensores y nanodispositivos que se están sucediendo en los laboratorios, suponen, para Obradors, "una buena oportunidad para pequeñas y medianas empresas españolas que quieran desarrollar biotecnología", ya que no se requieren grandes líneas de manufactura para poder lanzarlos al mercado.

El usuario como tractor

En el desarrollo de nuevos materiales, explica a INNOVADORES Adriana Orejas, directora de proyectos de tecnología downstream en el Repsol Technology Lab, el punto de inflexión se encuentra en poder "dar el salto del laboratorio a una realidad industrial". Es decir, superar el conocido ‘valle de la muerte’ en un proceso que "conlleva unos riesgos e implicaciones tecnológicas y también en inversión".

Por ello, Orejas subraya que el actor que "debe traccionar de verdad en el desarrollo de nuevo materiales es el consumidor, es el cliente, es el mercado". Todos los demás, incluidas las grandes empresas industriales, "solo somos un eslabón más en la cadena". Para agilizar los procesos, los nuevos materiales del laboratorio de Repsol, apunta, se van testando con los clientes en una posible aplicación industrial, mientras en paralelo se continua el desarrollo. "Es un trabajo en paralelo", porque, insiste, "no es la industria la que tracciona, sino el cliente" y esto se percibe en el propio proceso de creación.

Y una de las demandas sociales más en auge es la llamada transición energética, por lo que los equipos científicos y tecnológicos están a la caza y captura de aquellas disrupciones que permitan tecnologías libres de carbono y generación de CO2 para sectores como el energético con la generación de energía fotovoltaica, eólica o termoeléctrica.

"La transformación energética no es una necesidad nacional, es una exigencia global generada por las normativas internacionales en su lucha contra el cambio climático". "No es algo espontáneo", destaca Obradors, del CSIC. "En 10 años tiene que haber un cambio paradigmático de tecnologías y para que esto sea posible los materiales que hay detrás han de tener unas prestaciones competitivas".

En concreto, se buscan materiales más sostenibles y eficientes y que, además, tengan un coste lo suficientemente bajo para que sean competitivos. Son los llamados materiales superconductores, que, por ejemplo, se están empleando para fabricar generadores eólicos más eficientes.

En Europa, asegura Obradors, "hay una presión muy fuerte para usar generadores no solo sobre tierra, sino también en el mar", donde el flujo de viento es más constante y se pueden utilizar más horas al año. El objetivo es conseguir aumentar la potencia de cada generador para tener que reducir el número de ellos que se necesitan.

La clave de esto está en los materiales: "Hay que aumentar la potencia sin incrementar su peso para que puedan instalarse en el mar, y, además, deben ser resistentes a la atmósfera marina por lo que han de tener prestaciones de conservación en este ambiente" adverso. En este campo, Obradors destaca la industria española, encabezada por Gamesa, entre otras compañías.

En este sentido, Elena Rodríguez, responsable de Materiales Avanzados de Aimen, subraya el trabajo de los centros tecnológicos para investigar la incorporación de nuevas funcionalidades a los materiales para "doparlos con otras cargas y fibras" y así proporcionar "conductividad eléctrica, sensórica embebida o más capacidad de almacenamiento de energía" para ganar en sostenibilidad.

Sostenibilidad

Precisamente, si existe una demanda común a todos los consumidores, esa es la sostenibilidad. Los ciudadanos cada vez piden más productos que respeten el medio ambiente y aquí la tecnología aplicada a los materiales es definitiva. "La industria está buscando alternativas más sostenibles y ecológicas", avanza el CEO de Graphenea. Entra en escena la llamada economía circular, donde desde el mismo diseño del material se tiene en cuenta su recuperación.

El centro de investigación vasco CIC nanoGUNE trabaja en esta línea. "Estamos redirigiendo nuestros conocimientos y capacidad tecnológica hacia la economía circular", declara Ainara García Gallastegui, Technology Transfer Manager del centro.

Aquí tienen "varios" frentes abiertos, como la búsqueda de alternativas al envasado plástico, ayudando a la industria del cartón. "Podríamos haber intentado crear un material nuevo, pero tendría un coste muy elevado y el plástico es muy barato", comenta. Así que CIC nanoGUNE ha optado por desarrollar una interfaz con propiedades barrera entre el cartón y los alimentos.

Los materiales avanzados incluso se convierten en el ‘combustible’ de la nueva industria energética, al proporcionar celdas solares más eficientes o aumentar la energía distribuida. En este caso, el laboratorio de García en la UA está desarrollando un proyecto junto al MIT donde usan baterías de flujo, en lugar de metal-litio, para almacenar "enormes" cantidades de corriente eléctrica.

Uno de los compromisos que tienen muchas empresas es la reducción de emisiones de CO2, entre ellas Repsol, que, según Orejas, apuesta por el ecodiseño de materiales: "No solo hay que pensar en las prestaciones y en el coste adecuado del material, sino también en su reciclado final, en su reutilización y transformación", con el objetivo de "evitar que termine en un vertedero o una incineración".

"El plástico es un material necesario, útil y barato, pero hay que tener muy resuelto el final de su vida". En este sentido, Orejas señala que Repsol incorpora desde 2015 más de 10.000 toneladas de residuos plásticos en sus procesos: "La solución no está en no hacer plásticos, sino en que no vaya ni un gramo de plástico a la naturaleza, a través del reciclaje químico y del reciclaje mecánico". En esto trabaja su proyecto Reciclex para producir residuos de poliolefina con mejores prestaciones.

MATERIAL ENERGÉTICO En los laboratorios ya se han probado estos invernaderos fotovoltaicos, hechos con materiales orgánicos y monoculares. Con placas que se adaptan al techo de estos invernaderos y que permiten que penetre el espectro solar para las tareas agrícolas, al tiempo que son placas fotovoltaicas que generan electricidad con un coste reducido, explica Xavier Obradors, del CSIC.
PROPIEDADES MÁS COMPETITIVAS Elena Rodríguez, responsable de Materiales Avanzados de Aimen, explica algunas de las líneas de trabajo de innovación e investigación para aumentar las propiedades reciclables de nuevos materiales con menos densidad que los tradicionales en la fabricación de componentes para sustituir estructuras de acero convencional, de una densidad siete, por materiales como el composite polimérico (de 1,5 más o menos) en sectores como la automoción, el naval, el aéreo o el ferrocarril. Lo complicado es dar el salto de estos centros tecnológicos a las líneas de montaje de las plantas industriales.
LA DÉCADA DEL GRAFENO "Empieza una década muy interesante para el grafeno", afirma el CEO de Graphenea. Así como al silicio le costó 30 años "triunfar", se acerca el momento del grafeno. De la Fuente asegura que ya se ha superado el ‘hype’ y buena parte del ‘valle de la muerte’. "Es una carrera de largo plazo". Tras las aportaciones de la comunidad científica, señala, las empresas toman el testigo. La suya lleva en el mercado una década (toda la producción se lleva a cabo en su fábrica de San Sebastián) y ya tiene usos comerciales, especialmente en EEUU.