Un profesor de ingeniería física en la Universidad de Wisconsin-Madison ha creado nuevos materiales que se comportan de una manera inusual que desafía la teoría estándar que usan los ingenieros para diseñar cosas como edificios, aviones, puentes y dispositivos electrónicos.

Es un avance que podría abrir la puerta al diseño de materiales novedosos para aplicaciones que requieren alta tenacidad, por ejemplo, alas de avión que son más resistentes a las fracturas.

La teoría clásica de la elasticidad funciona bien para predecir el comportamiento de la mayoría de los materiales ordinarios, incluido el acero, aluminio y hormigón, y garantizar que las estructuras puedan soportar fuerzas mecánicas sin romperse ni deformarse demasiado. Pero para algunos materiales, la teoría es limitante.

Roderic Lakes y el estudiante de posgrado Zachariah Rueger utilizaron la impresión 3D para fabricar sus nuevos materiales de celosía de polímero. Su diseño, el patrón en el que se disponen las tiras de polímero de los materiales, es una estructura entrecruzada que se repite. Cuando está torcido o doblado una barra de esta red polimérica es aproximadamente 30 veces más rígida de lo que cabría esperar según la teoría clásica de la elasticidad.

Los investigadores de Wisconsin describieron sus nuevos materiales de celosía en la revista. Cartas de revisión física el 8 de febrero, 2018.

Realización de mediciones en el laboratorio, Lakes determinó que el comportamiento de los materiales era consistente con la elasticidad Cosserat, una teoría más descriptiva de la elasticidad que toma en consideración el tamaño de la estructura subyacente en un material.

"Cuando tienes un material con subestructura, como algunas espumas, celosías y materiales reforzados con fibras, hay más libertad en él de lo que la teoría clásica de la elasticidad puede manejar, ", Dice Lakes." Así que estamos estudiando la libertad de los materiales para comportarse de formas no previstas por la teoría estándar ".

Esta mayor libertad ofrece un camino potencial para crear materiales novedosos que sean inmunes a la concentración de estrés; en otras palabras, Materiales con tenacidad mejorada. Dichos materiales serían útiles para una variedad de aplicaciones, incluso hacer que las alas de los aviones sean más resistentes a las grietas.

Si se forma una grieta en el ala de un avión, el estrés se concentra alrededor de la grieta, debilitando el ala. "Necesitas una cierta cantidad de estrés para romper algo, pero si hay una grieta en ella puedes romperlo con menos estrés, "Dice Lakes.

El uso de la teoría de la elasticidad de Cosserat para informar el diseño de materiales producirá materiales más duros en los que las tensiones se distribuyen a lo largo de los materiales de manera diferente, según Lakes.

Estos mismos efectos están presentes en materiales como el hueso y ciertos tipos de espumas. Sin embargo, cuando los ingenieros hacen espuma para un cojín de asiento, por ejemplo, no tienen mucho control sobre la subestructura de la espuma:las pequeñas burbujas que se forman y forman las células dentro de la espuma. Como resultado, tienen una capacidad limitada para adaptar los efectos Cosserat.

A diferencia de la espuma, los investigadores de UW-Madison pueden ajustar los efectos Cosserat en sus materiales de celosía y hacerlos muy fuertes.

"Desarrollamos un material en el que tenemos un control excepcionalmente detallado sobre la fina estructura de nuestra celosía, y eso nos permitió lograr efectos muy fuertes al doblar y torcer el material, "Dice Lakes.