Investigadores del Departamento de Ingeniería Biomecánica de la Universidad Tecnológica de Delft han creado una nueva clase de metamateriales que pueden cambiar dinámicamente su comportamiento mecánico. Puede constituir la base para aplicaciones prácticas como la ropa de protección contra caídas para personas mayores. Los resultados aparecerán en la revista. Avances de la ciencia el 17 de junio.

Los metamateriales son estructuras de materiales elaboradas artificialmente que derivan sus propiedades de su diseño microestructural interno, en lugar de la composición química del material del que están construidos. Los metamateriales pueden diseñarse para mostrar propiedades excepcionales que no se encuentran en materiales naturales simples. Por ejemplo, mientras que intuitivamente se espera que las estructuras que están comprimidas en una dirección se expandan en la dirección opuesta, una clase de metamateriales llamados materiales auxéticos están diseñados a propósito para hacer lo contrario.

Funcionalidades mecánicas de metamateriales

Hasta ahora, Las funcionalidades mecánicas del metamaterial no se han aprovechado de los efectos dependientes del tiempo. Esto es sorprendente dice el Dr. Shahram Janbaz, investigadora del grupo Biomaterials &Tissue Biomechanics de TU Delft y primera autora del artículo, porque se utilizan muchos materiales flexibles para construir metamateriales mecánicos, como los plásticos a base de polímeros, muestran un comportamiento mecánico que depende de la velocidad con la que se deforman. "Materiales viscoelásticos, cuando se tensa, sufren cambios lentos que disipan la energía. Su respuesta mecánica, por lo tanto, depende de qué tan rápido los deforme ".

El equipo, dirigido por el profesor Amir Zadpoor, ahora trae la dimensión del tiempo a la caja de herramientas de metamateriales mecánicos, creando lo que podría considerarse una nueva clase de metamateriales que pueden cambiar dinámicamente su comportamiento mecánico.

El equipo construyó pilares altos que constan de dos materiales diferentes:un lado está hecho de un material que responde a la velocidad de deformación, mientras que al material del otro lado no le importa qué tan rápido se deforma. Al aplicar una fuerza de compresión a lo largo de la dirección del eje largo de este "bi-haz, “la elasticidad de ambos materiales asegura que no se rompa sino que se doble.

Propiedades extrañas

Los investigadores demostraron que, como era de esperar, el bi-haz se dobla hacia el lado izquierdo o derecho, dependiendo de la velocidad de compresión. Este comportamiento dependiente de la velocidad de deformación de los bi-beams es la clave para crear nuevos materiales con propiedades extrañas nunca antes vistas. "Todo lo que necesita hacer es encontrar una forma inteligente de ensamblar bi-beams y es bastante probable que encuentre un comportamiento mecánico que nunca antes se había informado, "dice Zadpoor.

Janbaz explica:"Por ejemplo, conectamos dos en paralelo, bi-vigas espejadas entre sí a través de conectores rígidos como una celda unitaria básica que se puede repetir en todas las direcciones para crear una estructura de celosía de metamaterial tridimensional. Encontramos eso, aumentando la tasa de deformación, el comportamiento mecánico de dicha celda cambió completamente de auxético a convencional ”. Los videos que acompañan a la publicación muestran cómo una red compuesta de celdas unitarias interconectadas se contrae para velocidades de compresión bajas y se expande para velocidades altas.

Aplicaciones

Una de las posibles aplicaciones de los metamateriales que muestran tal comportamiento de conmutación es la protección contra caídas. Dice Zadpoor, "Imagínese una capa que se puede llevar puesto. En circunstancias normales, es suave y sigue los movimientos del cuerpo. Cuando ocurre un impacto, el material cambia su comportamiento, actuando como un amortiguador ". Esto podría ayudar a las personas que sufren de osteoporosis, donde las fracturas óseas constituyen una complicación importante.

Los investigadores también crearon celosías de doble haz que están programadas para volverse menos rígidas si se tensan más rápidamente. Este comportamiento puede denominarse viscoelasticidad negativa y no se ha observado antes en sólidos.

Si bien puede ser difícil crear bi-beams mucho más pequeños del mismo diseño que los sistemas de modelos del tamaño de un centímetro probados aquí, los investigadores ven posibilidades de utilizar técnicas de impresión 3-D para crear celosías de diminutos bi-haces.

Los investigadores están entusiasmados con el potencial de su diseño de doble haz. "Esperamos que este elemento básico se pueda utilizar para crear una rica variedad de comportamientos mecánicos, "dice Janbaz.