¿Por qué Asia lidera el campo de los materiales ecológicos?

Comprar helado cuando hace calor es un desafío para quienes prefieren limitarse a su merienda de verano: pueden pasar unos segundos antes de que el producto más duro se convierta en sopa. Un experimento realizado por un equipo de investigadores en China ofrece cierta esperanza a quienes padecen estos problemas de gestión del tiempo. La envoltura biodegradable de “enfriamiento pasivo”, que funciona en parte irradiando calor al espacio, mantiene el helado completamente intacto durante 80 minutos después de exponerlo al sol.¹.

El experimento tenía un motivo importante. Según Jia Zhou, investigador de ciencia de materiales de la Universidad de Nanjing que dirigió este trabajo, se ha demostrado que dichos materiales tienen un enorme potencial en un clima cálido. cuando 80 metros² Se aplicó una capa del mismo material a la superficie del glaciar Tianshan nº 1 de China en Xinjiang, y la parte cubierta era unos 70 cm más alta después de 20 días. Otros investigadores han utilizado materiales similares en tejados para enfriar edificios sin consumir energía.

Índice de la naturaleza 2024 Ciencia de los materiales

La búsqueda de soluciones de refrigeración pasiva es un ejemplo del auge de la investigación en tecnología verde basada en materiales que se está produciendo en toda Asia, un enfoque que puede ser un factor detrás del creciente dominio de la ciencia de materiales en el Índice de la Naturaleza de los países asiáticos. En 2023, China, Japón, Corea del Sur, India y Singapur ocuparán el top 10 mundial en producción de ciencia de materiales por país. En conjunto, su participación combinada (la métrica que mide la producción de un país u organización en las revistas indexadas) Representa el 63% de la producción mundial en este campo.

Gran parte del trabajo sobre materiales ecológicos está dominado por la investigación. Baterías y células solares de próxima generaciónPero hay muchas otras tecnologías bajo investigación, que a menudo se centran en materiales diseñados para interactuar con la luz solar de maneras inusuales y potencialmente útiles.

“En la naturaleza, la luz y el calor son las formas de energía más poderosas”, dice Zhou. “Exploro formas de manipular la luz y el calor utilizando materiales estructurados jerárquicamente”. El estudio del helado mostró una estructura jerárquica en funcionamiento. A nivel microscópico, los poros de la capa de acetato de celulosa de origen vegetal se dispersan y reflejan la luz solar entrante, haciendo rebotar el calor solar. A nivel de nanoescala, la estructura atómica de la película irradia calor dentro de una banda de luz infrarroja conocida como ventana transparente de la atmósfera. Este calor no es reabsorbido por ningún gas atmosférico, sino que se pierde en el espacio, utilizando el universo como un gran disipador de calor para mantener frescos los objetos de la Tierra.

Al mantener los objetos frescos sin consumir energía, estos materiales de enfriamiento radiativo podrían ser clave para combatir el sobrecalentamiento urbano, dice el científico de materiales Xiaobo Yin, que está desarrollando materiales de enfriamiento pasivo en la Universidad de Hong Kong. “El aire acondicionado transfiere calor del interior de la casa al exterior, mientras consume energía, añadiendo más calor al ambiente”, dice Yin. “Los edificios o carreteras capaces de enfriarse por radiación son la única forma de expulsar el exceso de calor de la Tierra”.

Las principales ciudades de Asia se encuentran entre los lugares donde El enfriamiento pasivo será lo más importanteÉsta es una de las razones por las que la investigación sobre materiales sostenibles es una prioridad en muchos países asiáticos, dice Yin, que se mudó a Hong Kong desde Estados Unidos en 2021. Según Zhu, también es útil llegar a un consenso sobre la necesidad de tomar medidas para hacer frente al cambio climático. “No creo que la gente en China tenga ninguna duda de que el cambio climático es real”, afirma.

Zhu, que pasó casi una década estudiando y trabajando en los Estados Unidos (en la Universidad de Stanford en California y en la Universidad de California, Berkeley) antes de unirse a la Universidad de Nanjing en 2013, señala la evidencia existente de que los desafíos ambientales se pueden abordar a través de… Tecnología . Cuando regresó a China, por ejemplo, la contaminación atmosférica en las ciudades era rampante. “Quedó muy claro cómo la industrialización impacta el medio ambiente en general”, dice. Pero desde entonces una serie de medidas gubernamentales, incluido el fomento del uso de automóviles eléctricos, han marcado la diferencia, afirma.

La investigación de materiales energéticos verdes también es Importante para la economía Muchos países del este de Asia, dado su “gran enfoque en la manufactura”, un proceso que consume mucha energía, podrían resultar más baratos y con menos emisiones de carbono si cambiaran a energías renovables, añade Zhou. También existe un gran potencial para exportar nuevas tecnologías de energía verde.

“La investigación en ciencia de materiales cuenta con un buen apoyo en países como India y China porque han reconocido el potencial de la investigación básica para impulsar sus industrias manufactureras”, dice Tianyi Ma, científico de materiales de la Universidad RMIT en Melbourne, Australia.

Los países asiáticos también suelen obtener buenos resultados invirtiendo fondos en la fase traslacional de la investigación para vincular mejor las ideas académicas con la industria, añade Ma. “Es una situación en la que todos ganan, porque a cambio, los socios de la industria brindan más apoyo financiero para la investigación básica”.

investigación rosa

Aparte de los materiales que rechazan la luz solar para proporcionar refrigeración, otra área de investigación muy activa en Asia es el desarrollo de materiales que capturen la luz solar y la utilicen para obtener beneficios sostenibles. El último interés de Yin es desarrollar un material semitransparente que capture la luz verde del sol y la reemita como luz roja. “Estamos tratando de adaptar el espectro solar a mejores cultivos”, dice Yin. Las plantas rara vez usan la luz verde de la luz solar para realizar la fotosíntesis, por lo que las hojas aparecen verdes cuando se refleja esta luz, por lo que convertir la parte verde del espectro solar en luz roja la convierte en una forma que las plantas pueden usar.

Ajustando el espectro solar de esta manera²La película microfotónica, en la que Yin trabajó por primera vez con sus colegas mientras estaba en los Estados Unidos, impulsó el crecimiento de la lechuga en más de un 20%. Se observaron los mismos beneficios en las plantas cultivadas bajo iluminación. “Para la agricultura vertical o las fábricas de hortalizas, el coste de la energía primaria es la iluminación”, dice Yin. “Es un área donde nuestro trabajo puede contribuir”.

El equipo está desarrollando una versión de la película para la biofabricación sostenible.³. “También queremos diseñar el espectro solar específicamente para el rápido crecimiento de las microalgas”, afirma Yin. La idea es utilizar microalgas para convertir las emisiones de dióxido de carbono en productos valiosos, porque las microalgas absorben dióxido de carbono.₂ A medida que crecen, se vuelven ricos en proteínas y aceites que se pueden cosechar. El equipo se centra primero en aplicaciones alimentarias o cosméticas especializadas o de alto valor. “Pero cuanto más crecemos, menores son nuestros costos de producción y más amplia es la gama de productos que podemos considerar”, dice Yin.

Aprovechar la luz para impulsar la conversión de dióxido de carbono₂ La transformación en productos valiosos también es un tema candente en Singapur, donde el gobierno está dando prioridad a la investigación de materiales sostenibles, aunque por razones diferentes a las de las principales economías industriales de la región.

“Singapur tiene una grave escasez de recursos naturales”, dice Ben Liu, investigador de ciencias de materiales de la Universidad Nacional de Singapur y director del programa pionero de energía verde de la universidad. “Si podemos convertir el dióxido de carbono₂ “Las emisiones de combustibles verdes a gran escala resolverían los problemas de sostenibilidad, así como los problemas de importación de energía en Singapur”, afirma. “El plan quinquenal del gobierno ha dado prioridad a esta área, por lo que el apoyo financiero es enorme en términos de materiales”.

El laboratorio de Liu explora materiales orgánicos fotocatalíticos, que pueden absorber la energía de la luz solar y utilizarla para catalizar reacciones químicas. El equipo utilizó estos materiales para extraer átomos de carbono del dióxido de carbono.₂Y los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, antes de combinarse para formar hidrocarburos que pueden servir como fuente de combustible, como el metanol verde.

“Una vez que el costo del metanol verde sea comparable al del metanol petroquímico, el mundo adoptará esta energía renovable”, afirma Liu. Un análisis encontró que el costo principal del metanol verde proviene de la recolección de hidrógeno del agua. “En respuesta, recaudamos dinero para construir un centro nacional de innovación en hidrógeno centrado en cómo reducir el costo del hidrógeno”, dice. La financiación estuvo liderada por una donación de 15 millones de dólares singapurenses (11,1 millones de dólares estadounidenses) de la empresa de inversión estatal Temasek.

El gobierno también está trabajando para mejorar la cooperación con investigadores destacados de otros países. Una de esas iniciativas es el programa Campus Research Excellence and Technology Enterprise (CREATE). “Invitamos a investigadores de muy buenas universidades extranjeras a venir a Singapur para trabajar con nosotros y participar en el desarrollo de nuestros campos y materiales de investigación”, dice Liu. La reciente iniciativa CREATE, que se centra en la descarbonización, recibió 90 millones de dólares singapurenses para incorporar investigadores de 11 instituciones externas, incluida la Universidad de Cambridge en el Reino Unido; Universidad Técnica de Munich, Alemania; Universidad Jiao Tong de Shanghai, China; y Universidad de California, Berkeley.

“Singapur es muy especial porque coopera simultáneamente con Oriente y Occidente, lo cual es inusual en la geopolítica actual”, dice Liu. “Podemos hacer las paces Cooperando con los mejores sociosPara complementar nuestras fortalezas.

Las inversiones gubernamentales a largo plazo y el fuerte apoyo a la cooperación también han contribuido a mejorar el crecimiento en Investigación de materiales sostenibles en Japóndice Kazunari Domen, que estudia materiales fotocatalíticos a base de metales para la producción de hidrógeno verde en la Universidad de Tokio y la Universidad Shinshu en Matsumoto.

Las aplicaciones del mundo real estaban lejos de la mente de Dumaine cuando comenzó a investigar fotocatalizadores que dividen el agua en los años 1980. “Al principio me pareció interesante, pero desde el año 2000, cuando se hizo evidente la necesidad de producir hidrógeno verde para reducir las emisiones de dióxido de carbono, nuestro gobierno empezó a proporcionar un presupuesto continuo y relativamente grande.

En 2010, Domain recibió una financiación de 10 años para llevar a cabo su investigación de importancia estratégica, una subvención sin precedentes para Japón. Según él, esto ha marcado una gran diferencia en comparación con los proyectos habituales de cinco años, “porque podemos establecer colaboraciones a largo plazo, incluso con la industria, para lograr avances importantes”. Al principio del proyecto, el equipo había previsto inicialmente un espacio de 1 metro² Sistema experimental para hidrógeno solar verde, pero en 2021, Domain y sus socios industriales demostraron un sistema piloto de 100 metros² Una serie de reactores de fotodivisión de agua para producir hidrógeno verde⁴.

Actualmente se está planificando un sistema de próxima generación, que utilizará un catalizador de alto rendimiento y se proyectará a una distancia de 3.000 metros.² formación. Ahora, en su segunda fase, el proyecto se financia cada vez más mediante la colaboración con la industria.

Domen señala que la investigación de materiales fotocatalíticos en Japón ha experimentado una transformación a lo largo de su carrera. “Cuando yo era estudiante de posgrado, sólo había cuatro grupos de investigación en fotocatálisis en Japón”, dice. “Ahora hay unas 20 empresas que colaboran pero también compiten”.

Mamá está de acuerdo. El número de investigadores en el bien financiado sector de materiales ecológicos en Asia se ha convertido en un importante impulsor de la productividad científica. “Como este campo se ha convertido en un tema candente de investigación, muchas personas se han sentido atraídas por él, lo que ofrece oportunidades de colaboración pero también aporta competitividad”, afirma. “Hay que trabajar más duro, es una fuerza motriz”.

La investigación de materiales ecológicos está siendo testigo de una competencia cada vez mayor a través de las fronteras internacionales de la región, como resultado del potencial comercial que ofrece. Por ejemplo, la cooperación en ciencia de materiales entre Japón y China continúa creciendo y es la segunda asociación más productiva de la región.

Existe una profunda conciencia de que los objetivos económicos a menudo sustentan y pueden influir en las relaciones transfronterizas a medida que las tecnologías emergentes maduran desde la investigación básica hasta las perspectivas comerciales serias. El gobierno japonés, por ejemplo, está preocupado por la capacidad de China de dominar los mercados emergentes de industrias verdes, dice Domen. “China es nuestro muy buen colaborador y nuestro muy buen competidor”.

Pero incluso si fuertes motores económicos ayudan a estimular el desarrollo de tecnologías verdes en Asia, es más probable que esta carrera por desarrollar nuevos productos ayude a enfrentar el cambio climático y genere beneficios ambientales en todo el mundo.