Desde tiempos inmemoriales, el ser humano se las ha ingeniado para obtener lo mejor de la naturaleza en beneficio propio. Y en lo que a materiales se refiere, la evolución de estas prácticas han llegado a niveles inimaginables. En la actualidad, investigadores de medio mundo emplean tecnologías punteras como la impresión 3D, la nanotecnología y la inteligencia artificial para diseñar materiales que no encontramos a nuestro alrededor. En esta ocasión, hablaremos de un material ligero y fuerte que podría aplicarse en la fabricación de aviones, helicópteros o automóviles.
El equipo científico, liderado por Peter Serles, ha contado con la participación de ingenieros e investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y de la Universidad de Toronto. También ha contado con subvenciones de distintas agencias y organizaciones canadienses y surcoreanas. Y con el profesor Seunghwa Ryu y el estudiante de postgrado Jinwook Yeo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, por sus siglas en inglés KAIST. La investigación resultante de esta colaboración fue publicada a principios de 2025 en el medio especializado Advanced Materials. Su investigación ha combinado varias tecnologías para hacer posible un nuevo material con características únicas y que difícilmente podríamos encontrar.
Todo gracias a la nanotecnología, especialidad que consiste en diseñar materiales a escala nanométrica. Un campo por explorar y que ha dado muy buenos resultados en los últimos años. Por ejemplo, para regular la temperatura de una vivienda. Y, para hacer posible estos materiales, se emplean impresoras 3D, capaces de imprimir cualquier objeto o elemento con la materia prima adecuada. El tercer ingrediente ha sido la inteligencia artificial, encargada de procesar los datos disponibles para ofrecer soluciones que los científicos tardarían décadas en descubrir.
Un nuevo material ligero y fuerte creado en laboratorio
El nuevo material, creado en laboratorio, ofrece cualidades que lo hacen ideal para la industria aeronáutica, es decir, para la construcción de aviones, aeroplanos o helicópteros. En concreto, son el doble de fuertes que los diseños anteriores. Al tiempo que es más ligero. Ligero como la espuma y resistente como el acero. Dos características que, unidas, encajan en el transporte aéreo o terrestre.
La clave para obtener ambas cualidades radica en las técnicas empleadas por los investigadores. En concreto, optimización bayesiana multiobjetivo (por sus siglas en inglés MBO) y polimerización de dos fotones. El primer concepto se refiere a una estrategia de machine learning o aprendizaje automático que sirve para optimizar funciones matemáticas. Un proceso complejo y que requiere de ordenadores muy potentes. Aunque, en esta ocasión, la inteligencia artificial ha ayudado a reducir ese requisito.
Por su parte, la polimerización de dos fotones es una técnica de escritura láser que sirve para crear estructuras 3D de diseño libre a una escala microscópica y en diferentes materiales, con una resolución por debajo del límite impuesto por la difracción de la luz.
Combinando ambas técnicas, han diseñado nanorretículas de carbono con resistencia específica que las hace excepcionales. Su resistencia específica es de 2,03 MPa m3 kg−1 y su densidad, inferior a 215 kg m−3. Este nuevo material ligero y fuerte iguala la resistencia del acero al carbono con la densidad del poliestireno expandido. Y estas cualidades se pueden emplear en estructuras ligeras como las que encontramos en aeronaves o automóviles. Así, sería posible reducir su consumo de combustible para su correcto funcionamiento.
Un problema resuelto por la inteligencia artificial
En el documento publicado en Advanced Materials, el profesor Tobin Filleter, que formó parte del equipo de ingenieros e investigadores, explica que se encontraron con un problema de difícil solución. Crear un material ligero y fuerte a la vez. “Los materiales con arquitecturas nanométricas combinan formas de alto rendimiento, como hacer un puente con triángulos, en tamaños a nanoescala, lo que aprovecha el efecto de más pequeño, más fuerte”. Sin embargo, esas formas “tienden a tener intersecciones y esquinas afiladas, lo que lleva al problema de las concentraciones de tensión. Esto da como resultado un fallo local temprano y una rotura de los materiales, lo que limita su potencial general”.
Así que, donde no llegaron los propios ingenieros, llegó la inteligencia artificial. O, técnicamente hablando, machine learning. El equipo coreano diseñó un algoritmo que “aprendió de geometrías simuladas para predecir las mejores geometrías posibles para mejorar la distribución de la tensión y mejorar la relación resistencia-peso de los diseños de las arquitecturas nanométricas”. Una vez tenían la solución, la pusieron en práctica. El equipo canadiense creó “prototipos para validación experimental. Esta tecnología de fabricación aditiva permite la impresión 3D a escala micro y nano, creando nanorretículas de carbono optimizadas.
En palabras de Peter Serles, el principal firmante de la investigación, gracias a la inteligencia artificial, “no solo replicó geometrías exitosas de los datos de entrenamiento; aprendió de qué cambios en las formas funcionaron y qué no, lo que le permitió predecir geometrías completamente nuevas”. Serles espera que este descubrimiento sirva para crear componentes ultraligeros para la industria aeroespacial. Reduciendo así el consumo de combustible sin sacrificar la seguridad o el rendimiento de naves espaciales, aviones o helicópteros.
