El colapso catastrófico de materiales y estructuras es la consecuencia inevitable de una reacción en cadena de daños localmente confinados, desde cerámicas sólidas que se rompen después del desarrollo de una pequeña grieta hasta cerchas espaciales metálicas que ceden después de la deformación de un solo puntal.

En un estudio publicado esta semana en Materiales avanzados , ingenieros de la Universidad de California, Irvine y el Instituto de Tecnología de Georgia describen la creación de una nueva clase de metamateriales mecánicos que deslocalizan las deformaciones para evitar fallas. Lo hicieron recurriendo a la tensegridad, un principio de diseño centenario en el que las barras rígidas aisladas se integran en una malla flexible de ataduras para producir muy ligeros, estructuras de celosía autotensantes.

Comenzando con miembros de 950 nanómetros de diámetro, el equipo utilizó una sofisticada técnica de escritura láser directa para generar celdas elementales de entre 10 y 20 micrones. Estos se construyeron en supercélulas de ocho unidades que se podían ensamblar con otras para formar una estructura continua. Luego, los investigadores realizaron modelos computacionales y experimentos de laboratorio y observaron que las construcciones exhibían un comportamiento de deformación único y homogéneo, libre de sobrecarga localizada o infrautilización.

El equipo demostró que los nuevos metamateriales presentan una mejora de 25 veces en la deformabilidad y un aumento de órdenes de magnitud en la absorción de energía sobre los arreglos de celosía de última generación.

"Las estructuras de tensegridad se han estudiado durante décadas, particularmente en el contexto del diseño arquitectónico, y se han encontrado recientemente en varios sistemas biológicos, "dijo el coautor principal Lorenzo Valdevit, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UCI que dirige el Grupo de Materiales Arquitectónicos. "Las celosías de tensegridad periódica adecuadas fueron conceptualizadas teóricamente hace solo unos años por nuestro coautor Julian Rimoli en Georgia Tech, pero a través de este proyecto hemos logrado la primera implementación física y demostración de desempeño de estos metamateriales ".

Al desarrollar configuraciones estructurales para módulos de aterrizaje planetarios, el equipo de Georgia Tech descubrió que los vehículos basados ​​en tensegridad podían soportar una deformación severa, o pandeo, de sus componentes individuales sin colapsar, algo nunca observado en otras estructuras.

"Esto nos dio la idea de crear metamateriales que exploten el mismo principio, que nos llevó al descubrimiento del primer metamaterial de tensegridad 3D, "explicó Rimoli, profesor de ingeniería aeroespacial en Georgia Tech.

Hecho posible gracias a novedosas técnicas de fabricación aditiva, Las estructuras convencionales extremadamente ligeras pero fuertes y rígidas basadas en celosías y celosías de escala micrométrica han sido de gran interés para los ingenieros por su potencial para reemplazar las más pesadas, sustancias sólidas en aviones, palas de turbinas eólicas y muchas otras aplicaciones. Aunque posee muchas cualidades deseables, Estos materiales avanzados pueden, como cualquier estructura de carga, aún ser susceptibles a una destrucción catastrófica si se sobrecargan.

"En materiales conocidos de nanoarquitectura, la falla suele comenzar con una deformación muy localizada, "dijo el primer autor Jens Bauer, un científico investigador de la UCI en ingeniería mecánica y aeroespacial. "Bandas de cizalla, grietas superficiales, y el pandeo de paredes y puntales en un área puede causar una reacción en cadena que lleve al colapso de toda una estructura ".

Explicó que las celosías de celosías comienzan a colapsar cuando los miembros compresivos se comban, ya que los que están en tensión no pueden. Típicamente, estas partes están interconectadas en nodos comunes, lo que significa que una vez que uno falla, El daño puede extenderse rápidamente por toda la estructura.

A diferencia de, los miembros compresivos de las arquitecturas de tensegridad forman bucles cerrados, aislados unos de otros y conectados únicamente por elementos de tracción. Por lo tanto, la inestabilidad de los miembros compresivos solo puede propagarse a través de trayectorias de carga de tracción, que, siempre que no se rompan, no pueden experimentar inestabilidad. Empuje hacia abajo un sistema de tensegridad y toda la estructura se comprime uniformemente, Previniendo daños localizados que de otro modo causarían fallas catastróficas.

Según Valdevit, quien también es profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la UCI, Los metamateriales de tensegridad demuestran una combinación sin precedentes de resistencia a fallas, absorción de energía extrema, deformabilidad y resistencia, superando a todos los demás tipos de arquitecturas ligeras de última generación.

"Este estudio proporciona una base importante para el diseño de sistemas de ingeniería superiores, desde sistemas de protección contra impactos reutilizables hasta estructuras de carga adaptables, " él dijo.