Imagínese un globo que pudiera flotar sin utilizar ningún gas más ligero que el aire. En lugar de, simplemente se le podría succionar todo el aire mientras se mantiene su forma de relleno. Qué globo de vacío que podría ayudar a aliviar la actual escasez mundial de helio, solo se puede hacer si existiera un nuevo material que fuera lo suficientemente fuerte como para sostener la presión generada al expulsar todo ese aire sin dejar de ser liviano y flexible.

La científica de materiales de Caltech, Julia Greer, y sus colegas están en camino de desarrollar tal material y muchos otros que poseen combinaciones de propiedades inauditas. Por ejemplo, pueden crear un material que sea térmicamente aislante pero también extremadamente ligero, o uno que es simultáneamente fuerte, ligero, e irrompible:propiedades que generalmente se consideran mutuamente excluyentes.

El equipo de Greer ha desarrollado un método para construir nuevos materiales estructurales aprovechando las propiedades inusuales que pueden tener los sólidos a escala nanométrica. donde las características se miden en mil millonésimas de metros. En un artículo publicado en la edición del 12 de septiembre de la revista Ciencias , los investigadores de Caltech explican cómo utilizaron el método para producir una cerámica (por ejemplo, un trozo de tiza o un ladrillo) que contiene aproximadamente un 99,9 por ciento de aire pero es increíblemente fuerte, y que puede recuperar su forma original después de haber sido aplastado en más del 50 por ciento.

"Siempre se pensó que la cerámica era pesada y quebradiza, "dice Greer, profesor de ciencia y mecánica de materiales en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech. "Estamos demostrando que, de hecho, tampoco tienen que serlo. Esto demuestra muy claramente que si usa el concepto de nanoescala para crear estructuras y luego usa esas nanoestructuras como LEGO para construir materiales más grandes, puede obtener casi cualquier conjunto de propiedades que desee. Puedes crear materiales por diseño ".

Los investigadores utilizan un método de escritura láser directo llamado litografía de dos fotones para "escribir" un patrón tridimensional en un polímero al permitir que un rayo láser entrecruce y endurezca el polímero donde sea que esté enfocado. Las partes del polímero que fueron expuestas al láser permanecen intactas mientras que el resto se disuelve, revelando un andamio tridimensional. Luego, esa estructura se puede recubrir con una capa delgada de casi cualquier tipo de material:un metal, una aleación, un vaso, un semiconductor, etc. Luego, los investigadores usan otro método para grabar el polímero desde dentro de la estructura, dejando una arquitectura hueca.

Las aplicaciones de esta técnica son prácticamente ilimitadas, Greer dice. Dado que prácticamente cualquier material se puede depositar en los andamios, el método podría ser particularmente útil para aplicaciones en óptica, eficiencia energética, y biomedicina. Por ejemplo, podría usarse para reproducir estructuras complejas como huesos, producir un andamio de materiales biocompatibles en los que las células podrían proliferar.

En el último trabajo, Greer y sus estudiantes utilizaron la técnica para producir lo que ellos llaman nanoredes tridimensionales que están formadas por un patrón de nanoescala repetido. Después del paso de modelado, recubrieron el andamio de polímero con una cerámica llamada alúmina (es decir, oxido de aluminio), producir estructuras de alúmina de tubos huecos con paredes que varían en espesor de 5 a 60 nanómetros y tubos de 450 a 1, 380 nanómetros de diámetro.

A continuación, el equipo de Greer quiso probar las propiedades mecánicas de las diversas nanoredes que crearon. Usando dos dispositivos diferentes para pinchar y pinchar materiales en la nanoescala, ellos aplastaron, estirado, y de lo contrario trató de deformar las muestras para ver cómo se mantenían.

Descubrieron que las estructuras de alúmina con un espesor de pared de 50 nanómetros y un diámetro de tubo de aproximadamente 1 micra se rompían cuando se comprimían. Eso no fue sorprendente dado que la cerámica, especialmente aquellos que son porosos, son frágiles. Sin embargo, la compresión de celosías con una relación menor entre el espesor de la pared y el diámetro del tubo, donde el espesor de la pared era de solo 10 nanómetros, produjo un resultado muy diferente.

"Lo deformas, y de repente vuelve, "Greer dice." En algunos casos, pudimos deformar estas muestras hasta en un 85 por ciento, y aún podrían recuperarse ".

Para entender por qué Tenga en cuenta que la mayoría de los materiales frágiles, como la cerámica, silicio, y el vidrio se rompe porque está lleno de defectos, imperfecciones como pequeños huecos e inclusiones. Cuanto más perfecto sea el material, es menos probable que encuentre un punto débil donde fallará. Por lo tanto, los investigadores plantean la hipótesis, cuando reduce estas estructuras hasta el punto en que las paredes individuales tienen solo 10 nanómetros de espesor, tanto el número de defectos como el tamaño de los defectos se mantienen al mínimo, haciendo que toda la estructura sea mucho menos probable que falle.

"Uno de los beneficios de utilizar nanoredes es que se mejora significativamente la calidad del material porque se utilizan dimensiones tan pequeñas, ", Dice Greer." Básicamente, es lo más parecido a un material ideal que puedes conseguir, y obtiene el beneficio adicional de necesitar solo una cantidad muy pequeña de material para hacerlos ".

El laboratorio de Greer ahora está persiguiendo agresivamente varias formas de escalar la producción de estos llamados metamateriales.