La geometria dels materials

Fa cinquanta o seixanta anys, el disseny tenia molt més a veure amb les formes que amb els materials. En el disseny d’un llum, taula o cadira, la llista de possibles materials estructurals era ben escassa. Fusta, metall i poca cosa més. Podíem pensar en usar vidre, baquelita o tal vegada bambú, però aquí pràcticament s’acabaven les opcions. Les barques eren de fusta amb elements de llautó, els cotxes de ferro, els trens tenien ferro per fora i fusta per dins.

Aviat va venir la revolució dels plàstics. Els envasos, els electrodomèstics, els teixits de fibres sintètiques, els bolígrafs i infinites coses més. La ciència dels materials es va vestir de química. La recerca de nous materials la dirigien els químics, que sabien sintetitzar nous compostos orgànics sobretot a partir de derivats del petroli a la vegada que experimentaven amb materials compostos (com les barreges de resines i fibra de vidre que tenim ara a les barques i cotxes). Moltes proves eren fallides, però de tant en tant es descobria un nou material amb propietats interessants i tot seguit sorgien munts d’inventors que trobaven cóm fer-los servir. Només cal pensar en el metacrilat, en el niló o en el tefló.

Doncs bé, tot indica que ara som al principi d’una nova revolució en el camp dels materials, propiciada per la informàtica, la nanotecnologia i les impressores 3D. Els nous materials que estem començant a tenir i que tindrem d’aquí a molt pocs anys seran lleugers, adaptables, dissenyables i molt resistents. Fixeu-vos en la imatge, que he tret d’aquesta pàgina web d’en Jan Rys, investigador a l’ETH de Zurich i del grup de Chiara Daraio. En Jan Rys fabrica estructures periòdiques a escala microscòpica i nanoscòpica amb tècniques de fotolitografia, tot analitzant i estudiant les seves propietats mecàniques i de resistència.

Aquests nous materials no són compactes, són quasi buits. Són versions microscòpiques de les estructures de ferro que va dissenyar Eiffel i que després van omplir edificis públics i estacions de tren. Eiffel havia redescobert les idees dels arquitectes del gòtic, que molt abans havien entès que es podia construir sense les parets sòlides i gruixudes del romànic. Només calia entendre la distribució de forces i disposar adequadament els arcs, nervis i columnes. El romànic (i això no treu la seva bellesa) és una mica com els materials que ara tenim: sòlids, compactes, materials on tot ho aguanta tot. En canvi, els materials que estan venint són com les estructures metàl·liques d’Eiffel, amb moltíssimes barres microscòpiques que donen rigidesa i aporten les propietats que desitgem. Són nano-bastides.

Sense abandonar la química, els nous materials s’han passat al camp de la informàtica i de la geometria. Això és així perquè són dissenyables, programables. La Chiara Daraio diu que la revolució actual dels materials consisteix en pensar a l’inrevés: enlloc de fer proves per veure quina utilitat pot tenir un cert material, ara decidirem cóm volem que es comporti, i a partir d’aquí dissenyarem microscòpicament el material, genuí, específic i que ens anirà bé. Suposem que vull dissenyar i fabricar una joguina pel meu fill petit. Vull fer una pilota que tingui zones elàstiques alternades amb regions dures, de manera que segons com caigui a terra, reboti o no. Una pilota en certa manera imprevisible. Aniré a l’ordinador, dibuixaré una pilota, podré dir si la vull buida per dins o no, i tot seguit aniré marcant zones de la seva superfície per indicar quines vull que siguin elàstiques i quines no ho han de ser. L’ordinador calcularà, generarà la geometria del conjunt d’infinites barres microscòpiques de diferents gruixos, longituds i disposicions, respectarà el buidat per dins si és que l’he demanat, i crearà automàticament un fitxer d’instruccions per una impressora 3D. Quan ho imprimeixi (a casa o a qualsevol botiga d’impressió 3D) tindré la meva pilota semielàstica feta a mida, i no hi hauré dedicat més d’un parell de minuts. El material de la pilota serà pura geometria, amb una munió d’estructures nanoscòpiques que garanteixen les propietats que he demanat. Els algorismes de creació del fitxer d’instruccions per la impressora 3D hauran optimitzat, controlat i dissenyat la geometria a totes les escales, des dels detalls nanoscòpics fins els que puc veure a simple vista.

Lijie Grace Zhang és membre del departament de mecànica de la Universitat George Washington i de la facultat de medicina de la mateixa Universitat. Gràcies a la seva formació muti-disciplinar, entén les necessitats en el camp de la medicina regenerativa i a la vegada coneix el disseny de les estructures nanoscòpiques dels nous materials. En un dels seus recents articles explica nombrosos estudis de diversos investigadors que ja poden fabricar materials (podríem dir-ne bastides) que ràpidament es convertiran en vasos sanguinis, parts de fetge, ossos, cartílag, cèl·lules renals o teixits del cor. En molts casos, el que es fa és anar imprimint la xarxa tridimensional de la bastida mentre es va dipositant material bioquímic en els seus espais buits, amb tècniques de bio-impressió. Després de 51 dies de cultiu, s’aconsegueix una fina capa ben formada de teixit biològic, viu, d’uns 5 per 5 mil·límetres i d’un gruix de 0,02 mil·límetres. Estem aprenent a dissenyar teixits del cos humà. No està gens malament, oi?

Per cert, la Natàlia Fabra diu que caldria incrementar els impostos sobre la gasolina ara que han baixat els preus del cru, per a reduir l’increment del consum i invertir el diner obtingut per a fer la transició energètica i incrementar el pes de les renovables en el mix energètic.

Comenta

*

(*) Camps obligatoris

L'enviament de comentaris implica l'acceptació de les normes d'ús