Lo más ligero posible y lo más resistente posible al mismo tiempo:estos son los requisitos para los materiales ligeros modernos, como los utilizados en la construcción de aeronaves y la industria automotriz. Un equipo de investigación de Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) y la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH) ha desarrollado un nuevo enfoque de diseño de materiales para futuros materiales ultraligeros:puntales metálicos del tamaño de un nanómetro que forman redes anidadas en niveles jerárquicos separados que brindan una fuerza asombrosa.

El grupo de investigación presenta sus hallazgos en el número actual de la revista. Ciencias .

Cuando se inauguró la Torre Eiffel en 1889, se consideró una maravilla técnica. Su ingeniosa y delicada disposición de vigas de hierro grandes y pequeñas proporcionó una estabilidad extraordinaria, y era, por mucho, el edificio más alto del mundo en ese momento. El término "jerárquico" describe el enfoque de ingeniería de una matriz abierta de vigas más grandes reforzadas por otras más pequeñas. Desde hace varios años, Los investigadores de la ciencia de los materiales han intentado transferir este enfoque eficiente a la microestructura interna de los materiales, por ejemplo, mediante el uso de impresoras 3-D que pueden replicar estructuras de truss de ingeniería a escala micrométrica.

Hasta aquí, Las esperanzas de crear una nueva generación de materiales de construcción ligeros extremadamente resistentes no se han cumplido. Una de las razones:"Una impresora 3D solo puede imprimir un máximo de aproximadamente 10, 000 haces, y eso tomará horas, "dice el profesor Jörg Weißmüller del Instituto de Mecánica de Materiales de HZG, coautor de la publicación actual. "Para aplicaciones prácticas, esta no es realmente una opción viable ".

Corroyendo la plata

Sin embargo, su equipo persigue un objetivo aún más ambicioso:si los haces pudieran fortalecerse reduciendo su tamaño a unos pocos nanómetros de diámetro, podrían proporcionar la base para un nuevo tipo de material:excepcionalmente ligero, y al mismo tiempo, fuerte. Sin embargo, este tipo de material debería contener billones de vigas, superando con creces la capacidad de incluso la impresora más sofisticada. "Por eso tenemos que engañar a la naturaleza para que nos fabrique este tipo de materiales, simplemente por autoorganización, "El colega de Weißmüller, el Dr. Shan Shi, autor principal del estudio, explica.

Como un inicio, el equipo utilizó una aleación de 93% de plata y 7% de oro. Esta aleación se sumerge en ácido sulfúrico diluido, disolviendo aproximadamente la mitad de la plata. Como resultado, el material restante se reorganiza, formando una delicada red de haces a nanoescala. Después, el material se somete a un tratamiento térmico a varios cientos de grados. "Esto endurece la red a un tamaño de haz de 150 nanómetros mientras se mantiene la arquitectura original, "Shi explica.

Durante el último paso, se usa ácido para lavar el resto de la plata, dejando solo haces de oro con un tamaño de poro de 15 nanómetros en promedio. El resultado es un material estructurado jerárquicamente con dos tamaños de haz claramente diferentes, no muy diferente a la Torre Eiffel. Como resultado de su estructura de red abierta, este nuevo material consta de 80 a 90% de aire, dándole una densidad de sólo el 10 al 20% del metal sólido.

Increíblemente ligero asombrosamente fuerte

Luego, el grupo de investigación probó las propiedades mecánicas de sus muestras de tamaño milimétrico. "En vista de la baja densidad de este material, muestra valores excepcionalmente altos para parámetros mecánicos clave como la resistencia y el módulo elástico, "Dice Jörg Weißmüller." Hemos eliminado gran parte de la masa y dejado muy poco, pero el material es mucho más fuerte de lo que ha sido el estado de la técnica hasta ahora ". él dijo, demuestra por primera vez que una estructura jerárquica puede ser beneficiosa no solo para estructuras de celosía de ingeniería macroscópica como la Torre Eiffel, sino también para materiales de red ligeros.

El nuevo material aún no es adecuado para aplicaciones en construcción liviana; el oro es simplemente demasiado caro. demasiado pesado y demasiado blando para ese propósito. Todavía, el nuevo enfoque de diseño de materiales de HZG podría transferirse a otros, metales tecnológicamente más relevantes como el aluminio, magnesio o titanio. Los investigadores tendrán entonces que afrontar otro desafío:hasta ahora, solo han podido fabricar pequeños, muestras de tamaño milimétrico. "Pero parece totalmente factible fabricar cables o incluso láminas enteras de metal mediante nuestro proceso, "Weißmüller dice." En ese momento, el material se volverá interesante en escenarios de la vida real, por ejemplo, en nuevos conceptos para vehículos más ligeros y, por tanto, más eficientes energéticamente ".