Cristales fotocromáticos, capas invisibles y nanomateriales

¿Es posible tener unas gafas con cristales a los que puedas cambiarles su color a voluntad? ¿Y una capa de invisibilidad como la de Harry Potter? ¿Ropa que no se ensucia nunca?...

Nos excedemos en la extensión habitual en nuestras entradas en esta interesantísima –os lo aseguro– entrevista en profundidad con Raquel Fiz –PhD–, ingeniera industrial leonesa afincada en Colonia, doctora en química e investigadora en nanomateriales, que, además de respondernos a estas y otras cuestiones, conversa sobre las galletas bañadas en chocolate, vidrieras góticas, ventanas inteligentes, nanomateriales, superconductores y técnicas de identificación de urinarios disponibles en buen estado...

Desde hace muchos años tenemos en el mercado, los cristales fotocromáticos, que cambian de color según la intensidad de luz del sol: con más luz, más oscuras, con menos luz y en interiores, más claras. Estas lentes se basan en el “fotocromismo” –hasta los años cincuenta se llamó “fototropía”– una propiedad presente en muchos compuestos que se caracteriza por ser una transformación reversible entre dos “formas” mediante la absorción de radiación electromagnética y donde esas “dos formas” tienen diferentes espectros de absorción.

La escala de lo diminuto. No, no hablamos del presupuesto español en ciencia. 
Aunque sí.

Pero para entender mejor el por qué de estos procesos,  entrevistamos en Colonia, Alemania, y entre Kölschs y Kölschs, a la Doctora -PhD- Raquel Fiz, ingeniera industrial y doctora en química inorgánica y de materiales, y cuyas investigaciones se centran en el diseño y desarrollo de materiales basados en la nanotecnología y sus aplicaciones en el campo de la energía.

Nos sobra la pasta. Nos vamos a Colonia de cañas y a hablar de Ciencia

Aunque los cristales fotocromáticos son la primera opción de muchos usuarios de gafas (ya sea por comodidad o por algún problema visual que tengan) la verdad es que siguen teniendo algunos pequeños problemas… ¿Qué aportan los nuevos materiales o en que mejoran a los cristales ya existentes?

Los cristales fotocromáticos oscurecen o se aclaran dependiendo de la intensidad de luz que reciben. De ahí su nombre, compuesto por la combinación de dos términos: “foto” (luz) y “cromía” (color).
Una de las principales limitaciones de los materiales que se usan actualmente es que se degradan con el tiempo; tras un determinado número de ciclos el material ya no responde apropiadamente a los cambios de luz (ya no se oscurecen o aclaran completamente).

Otra desventaja es la velocidad de respuesta al cambio de coloración: cuánto tiempo necesita el material para adaptarse a las nuevas condiciones de luz. Cuando hay cambios repentinos de luz (al salir a la calle de una sala oscura, cuando hay un cambio de luces en la sala, ...) se necesita un tiempo hasta que las gafas se adaptan a la nueva iluminación ya que el usuario no puede controlar la coloración.

Los nuevos materiales permiten que el efecto fotocromático de los materiales sea más efectivo -el cambio de coloración es más rápido-, y durante muchos más ciclos, alargando la vida de las gafas. Otras tecnologías se basan en materiales termocrómicos o electrocrómicos, que tienen la ventaja de que la coloración está relacionada con otros fenómenos que son más fáciles de controlar con nuestra tecnología actual.

"Vente pa'Alemania Pepe. Aquí se aprecia el talento". Raquel Fiz en su laboratorio.

Explícanos de manera sencilla qué quiere decir termocrómicos y electrocrómicos.

Los materiales termocrómicos cambian de color con la temperatura, y los materiales electrocrómicos cambian de color al aplicar una corriente eléctrica. Hoy en día podemos controlar mucho más fácil la temperatura o el voltaje que la intensidad de luz. 

Sin embargo, creo que la pregunta aquí es “por qué” algunos materiales cambian de color según varíe la intensidad de luz, la temperatura o el potencial. Responder a esta pregunta es más compleja porque va a depender de la química del material (de los elementos de los que está compuesto); lo mismo que usamos hielo para enfriar nuestras bebidas, hojas de lechuga para comer una ensalada fresca, o "transformamos" las naranjas para hacernos un zumo. Los elementos químicos, su forma y tamaño definirán las propiedades del material final.

Pónnos un ejemplo práctico Raquel.

Los recubrimientos de óxido de wolframio o tungsteno (WO3), por ejemplo, son transparentes, pero pueden volverse azules si intercalamos iones de Litio en su estructura al aplicar un potencial al sistema. Este sería un ejemplo de una capa fina inorgánica electrocrómica que puede variar entre transparente y azul. Si queremos otros colores para nuestras gafas tenemos que elegir otro material, o modificar éste. Sería como cuando mojamos una galleta en café: cuando la galleta absorbe el café también cambia de color, y cambian las propiedades (la galleta se volvería más blanda).

¡¡¡Yo quiero unas ya!!!... Y otra caña ¿Pedimos otra ronda?¿Cómo se podrían trasladar esas propiedades a los cristales que utilizamos en nuestro día a día?

Tarta de galletas de chocolate, igualita que
el recubrimiento electrocrómico de óxido de tungsteno.
Pero más rica. 

Existen muchas técnicas para conseguir recubrimientos funcionales (que le dan una función determinada al cristal u otro material que llamaremos substrato). Un procedimiento utilizado sería, por ejemplo, el recubrimiento por inmersión, un método químico desde la fase líquida.
Volviendo al ejemplo de nuestra galleta, cuando la bañamos en chocolate en vez de en café, como éste es más denso se quedará en la superficie y al enfriarse podremos ver claramente la galleta, y sobre ésta, la capa de chocolate. En el caso de nuestro recubrimiento electrocrómico de óxido de tungsteno, se introduciría el substrato (que podría ser la lente de gafa) en una solución química y una capa de esta solución queda adherida a la superficie. Tras un proceso de secado y un tratamiento de calor para conseguir que se reordenen los átomos, ya tendríamos nuestro recubrimiento de óxido de tungsteno electrocrómico. Por cierto, ¿no ibas a pedir otra ronda…?

Kellner bitte!! Zwei Kölsch!!! Perdón. ¿Afectan a algo a la visión, por ejemplo, cambio en la percepción de los colores, sensibilidad al contraste…?

En general, las lentes modifican la trayectoria de la radiación electromagnética que las atraviesa, esto es, la luz que les llega (la luz no es más que una parte del espectro electromagnético que el ser humano puede ver). Y los colores se perciben porque el material absorbe unas longitudes de onda y refleja otras.

La respuesta es: sí, claro que cambia la percepción dependiendo de las propiedades de nuestro cristal o nuestra lente. Pero ese es el objetivo, ¿no? Diseñar lentes que nos ayuden a “filtrar” mejor la luz que llega a nuestros ojos para que no nos sea dañina y para poder ver mejor. 

A parte del uso en gafas graduadas, ¿las propiedades de termocrómicas o electrocrómicas tienen algún uso potencial más: deporte, camuflaje, tratamiento o prevención de enfermedades…?

Existen muchos usos para estos materiales, incluyendo todos los que acabas de mencionar y muchos otros.

Por ejemplo, hace tiempo estuve en un restaurante y cuando fui al baño me encontré con puertas transparentes… me pareció un poco raro... pero resulta que, al cerrar la puerta, el cristal se volvió de un blanco opaco inmediatamente.... una aplicación muy curiosa que funciona con tecnología electrocrómica, pero que en este caso se usa un material orgánico  distinto al óxido de tungsteno (porque se coloraba blanco). Me resultó muy diseño muy práctico porque se "veían“ fácilmente los baños libres…y los que estaban limpios, pero mantiene la intimidad una vez dentro al volverse opaco. 

¿Baño ocupado? Los materiales electrocrómicos te lo dicen.

¿Otra posible aplicación? Las “ventanas inteligentes” (aunque esto de “inteligentes” no signifique que piensen, sino que tienen unas propiedades que el ser humano ha conseguido usar “de forma inteligente”). Se pueden utilizar en terrazas o invernaderos y permiten controlar la cantidad de luz y calor que penetra al interior optimizando las condiciones de crecimiento de las plantas, por ejemplo, y permiten un gran ahorro en aire acondicionado en los meses de calor.

Podría ponerte mil ejemplos de aplicaciones que ya son reales y muy prácticas para resolver problemas cotidianos.

Eres experta a nivel mundial en nanomateriales, ¿qué líneas de investigación tienes abiertas ahora?

Los nanomateriales tienen aplicaciones casi en cualquier área. Parece que la nanotecnología y los nanomateriales son el último grito pero, en realidad, existen desde hace mucho tiempo; por ejemplo, el color rojo de las vidrieras de las catedrales de la Edad Media están formadas por nanopartículas de oro incrustadas en el cristal…

Nanomateriales de la Edad Media. Vidrieras de la
Catedral de León.

Esta palabra tan “moderna” y “futurista” está compuesta por un prefijo griego muy antiguo también: 'nano-' que significa “enano” y que corresponde a una millonésima parte de un milímetro. Para que nos hagamos una idea de las dimensiones tan pequeñas de las que estamos hablando, el tamaño de una manzana con respecto a nuestro planeta es equivalente a lo que mide un nanómetro en comparación con esta manzana. 

La novedad de la nanotecnología es que ahora somos capaces de manipular y controlar materiales tan pequeños (hasta ahora no había sido posible). Y lo interesante es, que cuando los materiales se van haciendo más y más pequeños, cambian sus propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas o mecánicas (de ahí que las nanopartículas de oro den un color rojo y no el típico color de los lingotes que conocemos). Todo lo que nos rodea es materia, así que toda esta materia va a presentar propiedades únicas cuando la hacemos pequeña en estas dimensiones. 

Mi área de interés es la energía: cómo se genera, cómo se almacena, y cómo interacciona y se transforma con la materia. Mi investigación se centra en la fabricación de nanomateriales (con distintas formas y composiciones), en la investigación de sus propiedades (foto)electroquímicas, y en la integración en sistemas de generación de energía como las células solares, sistemas de transducción como los sensores, sistemas de almacenamiento como son las baterías o los supercondensadores, o sistemas de transporte como los superconductores. En este momento participo en un proyecto para la producción masiva de superconductores basados en el material YBCO desarrollando un método económicamente viable.

Nuestro blog relaciona la moda con la ciencia... ¿Qué sorpresas nos deparan los nanomateriales en el mundo de la moda y las prendas de vestir?

Inimaginables. La gente, y en especial los artistas, -y también los científicos- tienen una imaginación increíble, una creatividad sin límites. Y eso es lo bonito de este campo interdisciplinar: yo podría diseñar un material en mi laboratorio pensando en una aplicación que otras personas pueden usar en otras. Quizás mi papel como científica es simplemente hacer una contribución al conocimiento que permita a otras personas generar nuevas ideas y nuevas formas de utilizarlo. 

Una de las citas que más me gustan de Linus Pauling dice que “la mejor forma de tener una buena idea es tener muchas ideas”. Yo puedo diseñar un material antibacteriano y éste podrá ser aplicado en ropa que no se ensucia nunca. O un material que genera calor o frío según se necesite. O unas zapatillas que generen electricidad al caminar para que se cargue el móvil. Y todos estos ejemplos ya son reales hoy en día…

Yo quiero una capa de invisibilidad como la de Harry Potter y unos calapijos de ante que no se mojen. ¿Lo veré algún día?

Añadir leyendaHarry tras la capa de invisibilidad. Dentro de poco tu
también podrás... si quieres. 

Hoy en día ya existen recubrimientos, esprays, y materiales que repelen el agua… Y las capas de invisibilidad también existen… a su manera. 

Todo lo que vemos es porque interactúa con la luz, con el espectro electromagnético visible, para ser más precisos. Basta con un juego de lentes para desviar los rayos de luz de tal manera de que no veamos un objeto (ya sea porque la luz no interactúa con él o con la posición donde están nuestros ojos). Suele ser una cuestión de perspectiva; hace unos años se publicó la capa Rochester. Y luego están los metamateriales de refracción negativa que están diseñados con una geometría en la nanoescala que permite burlar la luz. No sé si existen en forma de capa (aún), pero supongo que será una cuestión de tiempo, como lo demás. 

Venga, para terminar, una pregunta banal. Mójate y dinos cuál es tu modelo de gafa de sol preferido.

Vivo en Alemania… reconozco que no veo el sol a menudo y, junto con los paraguas y con los guantes, las gafas son uno de los objetos que pierdo a menudo… además, estoy todo el rato en el laboratorio… así que mejor hablamos de mis modelos de gafa de seguridad favoritos…

Mientras cumplan la norma EN166 me parece perfecto; pero antes otra caña… Y vamos a hablar de la Deportiva Ponferradina y del segundo equipo de la provincia, la Cultural.