Fabricación avanzada y nuevos materiales

Los nuevos materiales son componentes críticos de las tecnologías emergentes que prometen ser áreas de crecimiento importantes para la economía, como energía solar menos costosa, baterías de automóviles eléctricos que pueden durar más entre cargas, dispositivos electrónicos portátiles livianos y dispositivos médicos implantables para la medicina personalizada. Pero el viaje de un material nuevo a un producto suele llevar de una a dos décadas. Eso se debe en gran parte a que los nuevos materiales requieren tecnologías de fabricación avanzadas que pueden tardar muchos años en desarrollarse.

Materia prima: Este material, que podría usarse en cátodos para baterías de iones de litio, fue descubierto mediante un cribado computacional. Las diversas formas representan diferentes partes del compuesto, una mezcla de litio, manganeso, boro y oxígeno.

La Casa Blanca espera reducir ese tiempo a la mitad invirtiendo $ 100 millones en una Iniciativa del genoma de materiales destinado a fomentar un uso más eficiente de las herramientas de modelado computacional que los investigadores utilizan para predecir las propiedades de nuevos materiales. La iniciativa, que es parte de la Casa Blanca Asociación de fabricación avanzada , apoyará el acceso abierto a estos modelos y bases de datos en toda la comunidad científica de materiales con la esperanza de conectar a los académicos con la industria en una etapa más temprana del proceso de desarrollo.



Tal como está ahora, los científicos que trabajan con nuevos materiales no toman en cuenta los problemas de fabricación con la suficiente antelación, dice Cyrus Wadia , subdirector de I + D de energía limpia y materiales en la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca. Como resultado, su investigación puede llevarlos a callejones sin salida. Él cree que la forma de cambiar eso es alentar a toda la comunidad científica de materiales, desde académicos hasta fabricantes, a compartir datos y herramientas computacionales: el genoma de los materiales. Wadia dice que quiere que los investigadores se pregunten quién lo ha hecho antes, qué aprendieron y qué puede soportar el mercado.

Los científicos de materiales han estado utilizando modelos predictivos con diversos grados de éxito durante los últimos 20 años, manipulando datos sobre propiedades como el punto de fusión, la conductividad o la forma en que un compuesto reacciona con otros para predecir si un material es adecuado para una aplicación particular como un electrodo de batería. Los cálculos involucrados son muy complicados. Pero una vez que se escribe el código para predecir candidatos prometedores para una aplicación en particular, se puede aplicar para probar el potencial de cualquier material, dice Gerbrand Ceder , profesor de ciencia de los materiales en el MIT que se especializa en el modelado computacional de nuevos materiales de electrodos de batería. Desafortunadamente, no ha habido infraestructura para ayudar a los investigadores a compartir sus datos y el código utilizado para procesarlos, y pocos de los modelos han tenido en cuenta los problemas de fabricación.

El problema con el escalado y la fabricación es que no se comprende todo, dice Ceder. Si pudiéramos hacer las cosas exactamente como las hicimos en el laboratorio, no habría ningún problema. Pero no funciona de esa manera. Las diferencias menores en las condiciones de fabricación son inevitables cuando se pasa de la fabricación de gramos de un material a la fabricación por tonelada. Y los materiales que salen de los laboratorios académicos de hoy son más difíciles de hacer que los materiales del pasado. Muchos materiales avanzados obtienen sus propiedades extraordinarias a través de la precisión estructural a escala molecular o incluso atómica, y fabricarlos no es como fabricar, por ejemplo, acero. Se hace acero fundiendo metales en una enorme tina, dice Alejandro King , director del Laboratorio Nacional Ames en Iowa. En la fabricación de materiales avanzados, dice King, debe utilizar métodos más controlados o los átomos no harán lo que usted desea. Las inconsistencias en el control de temperatura, la mezcla u otros factores pueden provocar fallas. Y las técnicas utilizadas para lograr precisión a escala atómica en el laboratorio pueden ser difíciles de traducir a la fabricación a gran escala.

Hacer grandes lotes de un material complejo de manera consistente en una fábrica casi siempre requiere procesos diferentes de los que se utilizan para hacer pequeños lotes en el laboratorio. Eso significa más dinero, tiempo y riesgo. Por ejemplo, digamos que un laboratorio de investigación ha creado células solares de trabajo de una pulgada cuadrada cuya capa activa se crea al imprimir una tinta de nanopartículas. La comercialización de una tecnología de este tipo requiere que una empresa desarrolle varias técnicas de fabricación. Primero tiene que averiguar cómo hacer las nanopartículas en grandes lotes; luego debe encontrar un fabricante de equipos que le proporcione una máquina personalizada para imprimir esas tintas en metros cuadrados, o desarrollar ese equipo por sí mismo. Pero puede que ni siquiera llegue a esa etapa. ¿Qué pasa si, cuando los investigadores intentan producir un gran número de estas células solares, no pueden disponer las nanopartículas de forma coherente y las células no funcionan? En cualquier etapa, se puede descubrir un defecto fatal.

La Iniciativa del Genoma de Materiales tiene como objetivo predecir tales problemas de fabricación y alejar a los científicos e ingenieros de ellos en las primeras etapas de la fase de desarrollo. Los problemas relacionados con la ampliación del laboratorio a la fábrica no son nada especial, dice Ceder. El principal desafío en este momento es que grupos individuales y empresas han estado desarrollando fragmentos de código y acumulando datos sobre materiales nuevos y existentes, pero no tienen forma de compartir esta información. Presentan una patente, publican un artículo y ahí se detiene. El Genoma de Materiales recopilará todos esos datos en una base de datos central.

La cultura académica está más dispuesta a compartir datos que la cultura corporativa, pero Wadia, que ha estado hablando con representantes de las principales empresas de materiales sobre esta iniciativa durante los últimos años, cree que los laboratorios corporativos también contribuirán. De hecho, sería difícil que un proyecto de este tipo tuviera éxito sin ellos. Comenzará en los bolsillos de las comunidades, pero tenemos que conseguir una masa crítica para que esto funcione, dice. Las empresas que fabrican materiales avanzados ya están generando una gran cantidad de datos a través del seguimiento diario de las operaciones de fabricación, y espera que compartan este tipo de información con la Iniciativa del genoma de materiales.

Creemos que un papel clave que puede desempeñar la industria es brindar nuestra perspectiva sobre cómo se utilizan, diseñan y evalúan los materiales para aplicaciones de productos industriales, dice Christine Furstoss, directora técnica de tecnologías de fabricación y materiales en GE Global Research . Utilizamos una gran cantidad de materiales que se aplican en múltiples industrias y tenemos un gran interés en ayudar a mejorar el rendimiento y la capacidad de fabricación de dichos materiales.

Los $ 100 millones iniciales se distribuirán entre cuatro agencias gubernamentales: el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Defensa. Los representantes de la Casa Blanca no comentaron sobre cuánto dinero se destinaría a cada agencia y para qué proyectos específicos, pero el énfasis, dice Wadia, está en la construcción de infraestructura computacional. El aspecto que debería tener esa infraestructura se resolverá durante el próximo año. La financiación también se destinará a iniciativas educativas.

Los materiales novedosos son habilitadores clave para la fabricación, dice Ceder. Si va a aumentar la fabricación en los EE. UU., No lo hará con tecnologías antiguas.

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