A veces, contadas veces, los sueños de científicos e ingenieros de materiales se hacen realidad. Durante mucho tiempo, los materiales poliméricos fueron considerados genuinamente aislantes, tanto desde el punto de vista eléctrico como térmico. Buena parte de nuestra tecnología eléctrica actual se basa en estas cualidades, que se unen a su ligereza, flexibilidad y elasticidad. Las vainas del cableado de nuestras casas, las cajas de conexiones, las bases de enchufes, clavijas y demás elementos eléctricos se han aprovechado de ellas. Para estas aplicaciones, la naturaleza térmicamente aislante de los materiales poliméricos no es un inconveniente, pues, si están bien diseñadas, las temperaturas alcanzadas nunca son tan elevadas que requieran una eficiente evacuación de calor. No obstante, no faltan aplicaciones que se beneficiarían grandemente con la posibilidad de disponer de materiales poliméricos que a su carácter de aislante eléctrico unieran una más alta conductividad del calor. Tales materiales, por ejemplo, servirían para encapsular los microchips (actualmente las cápsulas son materiales cerámicos difíciles de conformar) que sí pueden alcanzar temperaturas notables durante su funcionamiento y que hay que limitar. También podrían fabricarse con ellos las carcasas de ordenadores portátiles, tabletas y teléfonos inteligentes, cada vez más necesitados de evacuar el calor generado en su interior. En la actualidad, si esto se vuelve prioritario, la solución pasa por emplear carcasas de aluminio. Las carcasas de material polimérico obviamente siempre resultarían más ligeras (y baratas).

Los materiales poliméricos ya nos tienen acostumbrados a sorpresas. En 1974, tres científicos, el estadounidense Hegger, el neozelandés McMardid y el japonés Shirakawa, demostraron que dopando una película de poliacetileno (en este caso, oxidándola con vapor de yodo), su conductividad eléctrica aumentaba tres órdenes de magnitud, lo que la hacía comparable a la conductividad eléctrica característica de los materiales metálicos. Se trataba del primer ejemplo de los denominados «polímeros conductores». Estos polímeros conductores, el pionero y casi todos los descubiertos con posterioridad, son casi todos orgánicos y presentan enlaces deslocalizados, lo que hace posible la conducción de electrones a través de la espina dorsal del polímero. También en la década de los 70 del pasado siglo, se consiguió alterar las propiedades ópticas de los materiales poliméricas, hasta el punto d convertirlos en emisores de luz. Son muchas las aplicaciones que se han beneficiado de estos descubrimientos: diodos emisores de luz, pantallas de vídeo, etc.

El reto siguiente era claro: ¿sería posible aumentar la conductividad térmica de un material polimérico hasta el rango en que pudiéramos catalogarlo como buen conductor del calor? El reto no es nada fácil. Por un lado, los materiales metálicos son buenos conductores del calor por la misma razón que son buenos conductores de la electricidad: disponen de una ingente cantidad de electrones libres que hacen las funciones de «portadores» de electricidad y también calor. (Ciertamente, esto solo es un modo de hablar, y el calor tiene que ver con la energía que pierden esos electrones al chocar con los átomos del material.) Ahora bien, ¿son precisos los electrones libres para que el material resulte buen conductor térmico? La respuesta es no. Por ejemplo, el diamante es un excelente conductor térmico y no dispone de electrones libres. Su eficaz conducción térmica se debe precisamente a la fortaleza y elasticidad de sus poderosos enlaces configurando un retículo tridimensional que hacen posible la transmisión de las vibraciones atómicas, que no es otra cosa que el calor almacenado en el material. En la escala atómica, los materiales poliméricos están constituidos por moléculas muy largas (polímeros) que constituyen auténticas cadenas que se retuercen y enredan entre sí y solo permanecen unidas por la trabazón mecánica de sus enredos y las débiles fuerzas secundarias de Van Der Waals. Ninguna de las características que hacen posible la buena conductividad térmica está presente en el caótico amasijo que constituye a la mayoría de los materiales poliméricos (concretamente a los termoplásticos), así que no parece posible que estos materiales puedan ser buenos conductores.

¿Y cuál es la noticia? Pues que contra todo pronóstico, tal proeza se ha conseguido. Un equipo de investigadores del MIT, el Instituto de Tecnológico de Massachusetts en Estados Unidos, formado por los Doctores Yanfei Xy y Xiaxoue Wang liderando a un equipo de doctorandos, ha conseguido desarrollar un material polimérico que sin renunciar a sus características de flexibilidad y aislamiento eléctrico posee una conductividad térmica un orden superior a los habituales materiales poliméricos de uso comercial. Se trata de un primer paso, obviamente, pero muy prometedor e inquietante.

¿Cómo lo han conseguido? Introduciendo orden en la estructura del material. La técnica empleada consistía en estirar los polímeros desordenados hasta convertirlos en cadenas alineadas, ordenadas y muy muy cercanas. (¿Se imagina hacer lo mismo con un plato de espagueti?) Los investigadores encontraron que este ordenamiento permitía que el calor «saltase» de una cadena a otra, propagándose a través del material. (El calor no se propaga entonces gracias a los electrones, sino simplemente por transmisión de las vibraciones atómicas entre átomos de distintas cadenas, ahora muy próximos entre sí). Si el método de ordenamiento fuera plenamente eficaz, las predicciones apuntan a que el material resultante debería ver incrementada su conductividad térmica unas 300 veces, en comparación con los termoplásticos convencionales. Los resultados a día de hoy son mucho menos prometedores, pero lo suficiente como para permitirnos seguir soñando…

Porque, en lo que concierne a los materiales, a veces, en contadas ocasiones, los sueños se hacen realidad.

Fuente original: MIT News