Un nuevo estudio publicado en Avances de la ciencia descubrió que ciertos tipos de materiales tienen una "memoria" de cómo se procesaron, almacenado y manipulado. Luego, los investigadores pudieron usar esta memoria para controlar cómo envejece un material y codificar propiedades específicas que le permiten realizar nuevas funciones. Este enfoque creativo para diseñar materiales fue el resultado de una colaboración entre Andrea Liu de Penn y Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine, y Daniel Hexner de la Universidad de Chicago.

Liu y Nagel han trabajado juntos durante muchos años en la física de sistemas desordenados. A diferencia de los sistemas ordenados, que tienen patrones sistemáticos y repetidos, los sistemas desordenados se organizan al azar. Un ejemplo ilustrativo es una pared natural hecha de tierra compacta, donde los granos individuales no se apilan ordenadamente, sino que se agrupan para formar una estructura rígida. Los investigadores están interesados ​​en estos sistemas porque su aleatoriedad les permite transformarse fácilmente en nuevos metamateriales mecánicos con propiedades mecánicas únicas.

Una propiedad importante que los científicos de materiales quisieran controlar es cómo responde un material cuando se aplica una fuerza externa. Cuando la mayoría de los materiales se estiran en una dirección, se encogen perpendicularmente, y cuando se comprimen se expanden perpendicularmente, como una goma elástica, cuando se estira, se vuelve más delgada, y cuando se comprime se vuelve más grueso.

Materiales que hacen lo contrario, los que se encogen perpendicularmente cuando se comprimen y se vuelven más gruesos cuando se estiran, se conocen como auxéticos. Estos materiales son raros, pero se sospecha que absorben mejor la energía y son más resistentes a las fracturas. Los investigadores están interesados ​​en crear materiales auxéticos para ayudar a mejorar la función de materiales que, entre otras cosas, podría absorber los golpes.

En este estudio, los investigadores querían ver si podían utilizar la "memoria" de un material desordenado de las tensiones anteriores que había encontrado para transformar el material en algo nuevo. Primero, ejecutaron simulaciones por computadora de materiales normales bajo presión y alteraron selectivamente enlaces atómicos para ver qué cambios podrían hacer que el material sea auxético. Descubrieron que, cortando las uniones a lo largo de las áreas con mayor estrés externo, podrían crear digitalmente un material auxético.

Usando esta información, Luego, el equipo tomó un material similar a la espuma de poliestireno y agregó "memoria" al permitir que el material envejeciera bajo tensiones específicas. Para hacer el material auxético, aplicaron una presión constante sobre el material y lo dejaron envejecer de forma natural. "Con todo el asunto bajo presión, se ajustó. Se transformó de un material normal en un metamaterial mecánico, "dice Liu.

Este proceso increíblemente simple y efectivo es un paso más hacia el "santo grial" de la ciencia de los materiales de poder crear materiales con estructuras específicas de nivel atómico sin la necesidad de equipos de alta resolución o modificaciones a nivel atómico. En cambio, el enfoque descrito en este documento solo requiere un poco de paciencia mientras el sistema gana "memoria" y luego envejece de forma natural.

Liu dice que es una forma "totalmente diferente" de pensar en la fabricación de nuevos materiales. "Empiezas con un sistema desordenado, y si aplica las tensiones adecuadas, puede hacer que salga con las propiedades que desea, " ella dice.

Este trabajo también tiene una fuerte conexión con las estructuras en biología. Órganos enzimas y las redes de filamentos son ejemplos naturales de sistemas desordenados que son difíciles de emular sintéticamente debido a su complejidad. Ahora, Los investigadores podrían usar este enfoque más simple como punto de partida para crear estructuras complejas hechas por humanos que se inspiran en la amplia gama de propiedades que se ven en biología.

Nagel es optimista sobre el futuro. "Además de fabricar materiales auxéticos, " él dice, "También hemos utilizado una computadora para diseñar un control mecánico preciso de partes distantes del material mediante la aplicación de tensiones locales. Esto también está inspirado en la actividad biológica. Ahora necesitamos ver si esto, también, se puede hacer que funcione envejeciendo un material real en el laboratorio ".

"Las posibilidades en esta etapa parecen ilimitadas, ", dice Nagel." Sólo mediante más trabajo teórico y experimentación comenzaremos a comprender cuáles son los límites de este nuevo concepto de diseño de materiales ".