En un estudio reciente publicado en Avances de la ciencia , Los científicos de materiales Julie A. Jackson y sus colegas presentaron una nueva clase de arquitectura de materiales denominada metamateriales mecánicos sensibles al campo (FRMM). Los FRMM exhiben control dinámico y sintonía sobre la marcha para diseñar y seleccionar la composición y estructura de la construcción. Típicamente, las propiedades de los metamateriales mecánicos se programan y establecen cuando se diseña y construye la arquitectura, sin cambiar en respuesta a condiciones ambientales externas cambiantes o aplicaciones posteriores. Las diversas características de los FRMM se demostraron por primera vez mediante la impresión de estructuras complejas de tubos poliméricos rellenos con suspensiones de fluidos magnetorreológicos (MR) para permitir que los campos magnéticos remotos controlen los materiales. Respectivamente, los científicos observaron rápido, cambios reversibles y considerables de la rigidez efectiva en las nuevas construcciones de metamateriales.

Los materiales sintéticos a menudo imitan estructuras celulares como dientes, picos de hueso y pájaro en la naturaleza para replicar su excelente resistencia y tenacidad en relación con la densidad. Los materiales avanzados están diseñados mediante bioingeniería para imitar estructuras celulares estocásticas (aleatorias) en forma de polímeros y espumas metálicas para aplicaciones estructurales y funcionales. La naturaleza también puede crear arquitecturas periódicas mediante diseño evolutivo, donde las estructuras celulares ordenadas superan a las contrapartes estocásticas como se ve con conchas de armadura defensiva y mazas de dáctilos en crustáceos. En el laboratorio, Las técnicas de fabricación aditiva y la impresión 3-D se utilizan para diseñar estructuras celulares con nano-, micro-, características de escala meso y macro que exhiben combinaciones únicas de mecánica, propiedades funcionales y térmicas. A menudo denominados metamateriales, las estructuras han demostrado características innovadoras, incluso:

• Ligero, arquitectura aún rígida y fuerte en nanoredes cerámicas tridimensionales
• Alta resiliencia mecánica en microredes de aerogel tridimensionales periódicas de grafeno.
• Razón de Poisson negativa en metamateriales basados ​​en origami.
• Capas elasto-mecánicas de "inquebrantabilidad" y capas de invisibilidad
• Diseños multimaterial con coeficientes negativos de expansión térmica.

Estos materiales combinan dos o más características contrastantes para propiedades únicas, pero su arquitectura permanece fija en el tiempo después de la fabricación. Como resultado, los materiales no pueden responder y adaptarse a las condiciones externas cambiantes. Los materiales adaptables y receptivos se diseñan cada vez más a través de la impresión 4-D, en el que la cuarta dimensión representa el tiempo, emergiendo actualmente como una nueva área de investigación en ciencia de materiales.

El término 4-D representa materiales impresos en 3-D que pueden cambiar de forma o función en respuesta a condiciones o estímulos externos, incluida la fuerza mecánica, hinchazón y campos magnéticos. Las demostraciones existentes, sin embargo, carecen de control determinista de las propiedades mecánicas o exhiben una cinética lenta para las transformaciones químicas previstas. En el presente estudio, Jackson y col., revelan una nueva clase de metamateriales mecánicos sensibles al campo (FRMM) que están impresos en 3-D para exhibir programables, profético, Propiedades mecánicas reversibles y controladas en respuesta rápida a un campo magnético remoto.

Los tubos de polímero hueco impresos en 3D o los puntales que forman los bloques de construcción de las celosías se llenaron con suspensiones de fluidos magnetorreológicos (MR). Los científicos utilizaron el sistema LAPµSL para la impresión 3-D personalizada capa por capa mediante la proyección de patrones de luz ultravioleta sobre una resina fotocurable para construir estructuras 3-D a partir de una pila de imágenes 2-D. Por consistencia, replicaron un protocolo previamente establecido sobre microestereolitografía. Los fluidos de RM contenían micropartículas ferromagnéticas en líquidos no magnéticos que podrían cambiar rápidamente la viscosidad en respuesta a un campo magnético aplicado. En ausencia de un campo magnético, el fluido de RM tenía un comportamiento similar al de un líquido, con partículas distribuidas al azar que fluían libremente para formar un charco sobre un sustrato plano. Cuando se aplicó un campo magnético, las partículas se alinearon en cadenas a lo largo de las líneas de campo y formaron una matriz espicular de estructuras en forma de cuchillas que se asemejaban a depósitos de estalactitas. La viscosidad del fluido aumentó monótonamente hasta alcanzar una meseta de saturación con una intensidad de campo magnético de ~ 0,3 T.

En el estudio, Se realizaron ensayos magneto-mecánicos con compresión y flexión en voladizo. Cada cilindro (puntal) se llenó con fluido MR disponible comercialmente, que comprende 50 por ciento de partículas de carbonil hierro (que varían de 4 a 20 µm) en un aceite estabilizador de partículas de hidrocarburo. Cada prueba magneto-mecánica se repitió con varias intensidades de campo magnético, donde el campo se alineó en paralelo a la dirección de la fuerza aplicada para obtener una serie de curvas fuerza-desplazamiento. Entre las diversas orientaciones, la rigidez efectiva fue mayor cuando el campo aplicado fue paralelo a la dirección de la fuerza. Las pruebas se utilizaron para calibrar el modelo al nivel de un solo puntal y, en última instancia, predecir la respuesta de campo de una arquitectura de celosía más grande.

Los científicos utilizaron una teoría estándar de vigas compuestas, donde el análisis asumió la teoría de la flexión de Euler-Bernoulli para derivar un modelo del puntal. La teoría incluía la rigidez elástica efectiva del fluido MR y la rigidez elástica de los puntales (módulo de Young). El modelo analítico asumió una relación lineal entre la resistencia mecánica y el aumento del campo magnético. Los experimentos se mantuvieron por debajo del valor umbral de 0,3 T ya que se observó previamente que el fluido MR se saturaba a este valor.

Los científicos demostraron la viabilidad del enfoque de pruebas mecánicas y de fabricación para arquitecturas más complejas mediante la impresión en 3D de celdas unitarias cuboctaedro utilizando el proceso LAPµSL. Las celdas unitarias se retiraron de cualquier resina líquida prepolimérica y se inyectaron con el fluido MR. El procedimiento de llenado (o llenado) fue exitoso cuando la estructura se orientó para evitar burbujas de gas atrapadas.

Jackson y col. probó las celdas unitarias cuboctaedro en un aparato personalizado variando la distancia del imán a la estructura de la celda unitaria para controlar la intensidad del campo magnético. Calcularon la relación entre el módulo de Young efectivo y la fuerza del campo magnético de la celda unitaria mediante pruebas de compresión. El tiempo de respuesta se midió por la velocidad a la que cambiaron las propiedades mecánicas del material en respuesta a la aplicación o eliminación de un campo magnético. La reversibilidad de los resultados magneto-mecánicos también se probó con una medición controlada por deformación, donde la celda cicló entre los estados de encendido / apagado de campo mientras estaba bajo un 10 por ciento de tensión compresiva. Las partículas magnéticas pasaron más rápidamente de un estado de desorden al orden cuando se aplicó el campo magnético.

Los científicos mostraron la posibilidad de crear un FRMM de área más grande imprimiendo una celosía cuboctaedro con una disposición de celdas unitarias de 2 por 2 por 2. Para producir los especímenes, las celosías huecas drenadas se inyectaron con fluido MR como antes, pero en este caso con dos jeringas conectadas a cada celda unitaria. Una vez más, la respuesta de rigidez de la red se midió en función de la intensidad del campo magnético.

Para observar el efecto de respuesta de campo de la red de metamateriales mecánicos, los científicos colocaron una carga estática de 10 g de masa, con una condición inicial de 0,11 T máximo de campo magnético aplicado. Cuando el campo magnético se eliminó lentamente, la rigidez efectiva disminuyó, deformando la celosía debajo de la carga para comprimir y doblar. Al retirar por completo el imán, la masa se deslizó fuera de la superficie de la celosía para mostrar el cambio en la capacidad de carga. Los FRMM pueden cambiar la rigidez en un experimento controlado por estrés, ajustando únicamente el campo magnético. El trabajo demostró los primeros FRMM ajustables con un rango dinámico de reacciones mecánicas rápidas y reversibles en respuesta a campos magnéticos aplicados de forma remota.

El proceso de desarrollo es ágil y sencillo de replicar, basado en impresión 3D, combinado con métodos controlados de suministro de fluidos para diseñar una nueva clase de metamateriales mecánicos de microarquitectura. Los futuros FRMM pueden estar compuestos por redes de microfluidos activos para regular el flujo de fluidos de RM en microcompartimentos para una accesibilidad controlada en el tiempo. La forma magnética puede aumentar el control direccional para una variedad de aplicaciones. Los científicos prevén el uso de FRMM en una amplia gama de aplicaciones emergentes, incluida la robótica blanda, como cascos de rápida adaptación "resistentes a los choques" para ciclistas y como dispositivos portátiles inteligentes con cancelación de ruido.

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