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La estructura del dominio ferroeléctrico de manganato de erbio.

Energía

Adiós a la ley de Moore, la ciencia de materiales debe redefinir el futuro de la humanidad

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Si la expansión de los dispositivos basados en silicio continúa, dentro de 20 años consumirán más de la mitad del presupuesto energético mundial. Para evitarlo hace falta un material nuevo que redefina la sociedad, como en su día lo hicieron descubrimientos como el horno de fundición y los electrones

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Patricia R. Guevara
  • 30 Agosto, 2017

Una de las características más extraordinarias de la revolución de la microelectrónica es su capacidad de avanzar y crecer, un rasgo definido por la Ley de Moore. Esto ha hecho que la capacidad de cálculo crezca de forma masiva y muy rápida. Por ejemplo, los smartphones de gama alta actuales tienen una potencia computacional equivalente a la de los supercomputadores más potentes del mundo de principios de la década de 1990. Los teléfonos inteligentes del futuro serán aún mejores.

Pero hay un problema a la vista. A medida que se generaliza el uso de este tipo de ordenadores tan potentes, la cantidad de energía que consumen también aumenta. Si el crecimiento exponencial que pronostica la Ley de Moore continúa, en un par de décadas los dispositivos electrónicos consumirán más de la mitad del presupuesto energético del planeta.

Está claro que esa situación es insostenible. Entonces, ¿qué hacemos? La científica de materiales en ETH Zurich (Suiza) Nicola Spaldin propone una solución. La investigadora sostiene que los científicos de materiales pueden salvar el planeta, y que su solución vendrá en forma de un avance fundamental que cambiará la manera en la que pensamos sobre la tecnología de la información y sobre cómo la usamos. Spaldin desarrolla este argumento (y señala un par de posibles vías para este avance) en un artículo muy entretenido. Comienza mostrando cómo la civilización humana ha sido moldeada según los avances de la ciencia de materiales. Por ejemplo, el descubrimiento de materiales compuestos como la fibra y la resina permitió que los seres humanos unieran cuchilas y palos para crear cuchillos y hachas.

El descubrimiento de las técnicas de fundición, probablemente en los hornos de cerámica de la Edad de Piedra, fue tan notable que dio paso a la Edad de Bronce y la Edad de Hierro. Esto provocó cambios radicales en la agricultura, e hizo posible establecer ciudades e incluso países. La tecnología del metal también originó una importante transformación en la tecnología de armas y, en última instancia, alrededor de 4.000 años más tarde, desembocó en la Revolución Industrial.

Más tarde, el hallazgo del electrón hizo posible el desarrollo del tubo de vacío, del transistor de estado sólido y de la microelectrónica en general. Durante la Segunda Guerra Mundial, se crearon los receptores de radar de alta frecuencia, para los que se desarrolló el silicio ultrapuro necesario para la electrónica moderna.

El mundo y la forma en que interactuamos con él cambiaron con cada uno de estos avances en la ciencia de materiales. Pero ninguno de ellos fue planeado, y el modo de vida que los precedía se perdió en gran medida cuando tuvieron lugar.

Spaldin sostiene que será necesario un evento similar para superar la crisis energética del silicio. No podemos continuar usando este elemento, así que, ¿qué lo reemplazará? Una posibilidad puede provenir de la propia investigación de Spaldin sobre los materiales multiferroicos, aquellos que tienen propiedades ferroeléctricas y ferromagnéticas. Por lo general, la única manera de cambiar las propiedades magnéticas de un material es aplicándole un campo magnético. Pero Spaldin y otros grupos han demostrado que esas propiedades también se pueden alterar con campos eléctricos.

Esto tiene implicaciones significativas, ya que una gran cantidad de procesamiento y almacenamiento de la información se basa en el silicio y en sus propiedades magnéticas, que deben ser manipuladas con campos magnéticos. La capacidad de hacerlo de manera más eficiente con los campos eléctricos puede implicar una transformación enorme. "Reemplazar los campos magnéticos en nuestras tecnologías actuales, que se basan en campos eléctricos, ofrece una gran oportunidad de ahorro de energía, miniaturización y eficiencia", explica.

Los multiferroicos tienen otras propiedades útiles. Dentro de estos materiales, los dipolos ferroeléctricos pueden alinearse con diferentes orientaciones. Los dipolos que están alineados forman regiones llamadas dominios, y las fronteras entre estos dominios tienen un gran interés. Spaldin dice que estas fronteras forman canales conductores que se pueden mover y reordenar con campos eléctricos. "Esto podría aplicarse en innovadores dispositivos de memoria y en arquitecturas de procesamiento de la información", indica.

La superficie de estos materiales multiferroicos también tiene unas curiosas propiedades electrónicas que pueden manipularse para catalizar reacciones, como la separación del agua.

Spaldin detalla: "Nuestros nuevos materiales multiferroicos están preparados para impulsar paradigmas de dispositivos innovadores y, a su vez, nuevas formas de diseñar tecnologías. ¿Puede que estamos a punto de entrar en una nueva Era Multiferroica?".

Si fuera así, nuestra dependencia del silicio quedaría atrás, y en su lugar dependeríamos de una industria que produciría manganato de erbio, manganato de itrio y ferrita de bismuto, y de una nueva generación de dispositivos de procesamiento de información de alta eficiencia energética.

Spaldin no contiene la respiración. Hay muchos factores involucrados en el futuro de la tecnología y no hay forma de predecir cómo van a funcionar. Los multiferroicos son una posibilidad, pero seguramente haya muchas otras.

Y éste es su punto principal: que la historia demuestra claramente que el futuro a largo plazo nunca es una extrapolación sencilla del presente. En cambio, las ideas disruptivas cambian el mundo, y la clave es crear un ambiente en el que pueda suceder esta disrupción.

Spaldin termina su argumento apelando apasionadamente a los gobiernos, las agencias de financiación y las administraciones universitarias. En su artículo defiende: "Los verdaderos avances que cambiarán el curso de la historia no provendrán de iniciativas para mejorar los materiales o los dispositivos existentes, ni para avanzar en tecnologías que ya han sido identificadas. En lugar de eso, vendrán de individuos poco convencionales o de pequeños equipos de investigación básica que empujarán los límites del conocimiento en direcciones en las cuales todavía no hay siquiera una aplicación".

En otras palabras, los frutos de la investigación básica valdrán su peso en oro, si se les alimenta con cuidado.

Ref: arxiv.org/abs/1708.01325Fundamental Materials Research and the Course of Human Civilization.

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