Cómo la ciencia de los materiales determinará el futuro de la civilización humana

Una de las características extraordinarias de la revolución de la microelectrónica es su capacidad de escalar, característica capturada por la Ley de Moore. Eso ha llevado a un aumento rápido y masivo de la capacidad informática: los teléfonos inteligentes de gama alta de hoy en día tienen una potencia informática equivalente a las supercomputadoras más potentes del mundo de principios de la década de 1990. Los teléfonos inteligentes del mañana serán aún más potentes.

Pero hay un problema a la vista. A medida que las computadoras poderosas se generalicen, la cantidad de energía que consumen aumentará. Si la ley exponencial de Moore continúa, los dispositivos electrónicos consumirán más de la mitad del presupuesto energético del planeta dentro de un par de décadas.

Eso es claramente insostenible. ¿Entonces lo que hay que hacer?

La estructura del dominio ferroeléctrico del manganato de erbio.

Hoy recibimos una especie de respuesta de Nicola Spaldin, científica de materiales en ETH Zurich, en Suiza. Spaldin argumenta que los científicos de materiales pueden salvar el planeta, y su solución será en forma de un avance fundamental que cambie la forma en que pensamos sobre la tecnología de la información y la forma en que la usamos. Ella presenta el argumento, y señala una o dos posibles vías para este avance, en un artículo muy entretenido.

Spaldin comienza mostrando cómo la civilización humana ha sido moldeada por los avances en la ciencia de los materiales. El descubrimiento de materiales compuestos como la fibra y la resina permitió a los humanos unir hojas a palos para crear cuchillos y hachas.

El notable descubrimiento de las técnicas de fundición, probablemente en hornos de cerámica de la edad de piedra, condujo a las edades del bronce y del hierro. Eso provocó cambios radicales en la agricultura y condujo al establecimiento de ciudades e incluso países. La tecnología del metal también condujo a cambios importantes en la tecnología de las armas y, en última instancia, unos 4000 años después, a la revolución industrial.

Posteriormente, el descubrimiento del electrón condujo al desarrollo del tubo de vacío, el transistor de estado sólido y la microelectrónica en general. El silicio ultrapuro necesario para la electrónica moderna se desarrolló inicialmente para receptores de radar de alta frecuencia en la Segunda Guerra Mundial.

Cada uno de estos avances en la ciencia de los materiales cambió el mundo y la forma en que interactuamos con él. Pero ninguno de ellos fue planeado y gran parte de la forma de vida que los precedió se perdió cuando ocurrieron estos cambios.

Spaldin argumenta que se requerirá algo similar para superar la crisis de energía del silicio. No podemos continuar con el silicio, entonces, ¿qué lo reemplazará?

Una posibilidad puede provenir de la propia investigación de Spaldin sobre multiferroics, materiales que tienen propiedades ferroeléctricas y ferromagnéticas. Por lo general, la única forma de cambiar las propiedades magnéticas de un material es con un campo magnético. Pero Spaldin y otros han demostrado cómo cambiar las propiedades magnéticas de los multiferroicos con campos eléctricos.

Eso tiene implicaciones significativas. Gran parte del procesamiento y almacenamiento de información basada en silicio se basa en propiedades magnéticas que deben manipularse con campos magnéticos. La capacidad de hacer eso de manera más eficiente con campos eléctricos es potencialmente transformadora. Reemplazar los campos magnéticos en nuestras tecnologías existentes basadas en el magnetismo con campos eléctricos ofrece una gran oportunidad para el ahorro de energía, la miniaturización y la eficiencia, dice.

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 los límites entre estos dominios resultan interesantes.

Spaldin dice que estos bordes forman canales conductores que se pueden mover y reorganizar usando campos eléctricos. Esto tiene una aplicación potencial en nuevas memorias o arquitecturas de procesamiento de información, dice.

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

Nuestros nuevos materiales multiferroicos están preparados para permitir nuevos paradigmas de dispositivos y, a su vez, formas completamente nuevas de diseñar tecnologías, dice. ¿Quizás estamos a punto de entrar en una nueva Era Multiferroica?

Se acabaría nuestra dependencia del silicio y, en cambio, dependeremos de una industria que produzca manganato de erbio o manganato de itrio o ferrita de bismuto y una nueva generación de dispositivos de procesamiento de información de alta eficiencia energética.

Spaldin no está conteniendo la respiración. Hay muchos factores que determinan el futuro de la tecnología y no hay forma de predecir cómo resultarán. Multiferroics es una posibilidad, pero seguramente hay muchas otras.

Y este es su punto principal. Esa historia muestra claramente que el futuro a largo plazo nunca es una extrapolación directa del presente. En cambio, las ideas disruptivas cambian el mundo. Y la clave es crear un entorno en el que pueda ocurrir esta interrupción.

Sin embargo, la idea de que los científicos de materiales crearán esta revolución es un tanto irónica. Por supuesto, serán los físicos quienes hagan el trabajo importante (tos).

Termina su argumento con una súplica apasionada a los gobiernos, las agencias de financiación y los administradores universitarios.

Los verdaderos avances que cambiarán el curso de la historia no provendrán de iniciativas para mejorar los materiales o dispositivos existentes, o de avanzar en tecnologías que ya han sido identificadas, dice. En cambio, provendrán de personas poco convencionales o pequeños equipos de investigadores fundamentales que empujarán los límites del conocimiento en direcciones para las que aún no existe una aplicación.

En otras palabras, la investigación fundamental dará sus frutos en dólares de plata, si se nutre cuidadosamente.

Ref: arxiv.org/abs/1708.01325 : Investigación de materiales fundamentales y el curso de la civilización humana

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