Los materiales reconfigurables pueden hacer cosas asombrosas. Las sábanas planas se transforman en una cara. Un cubo extruido se transforma en decenas de formas diferentes. Pero hay una cosa que un material reconfigurable aún no puede cambiar:su topología subyacente. Un material reconfigurable con 100 celdas siempre tendrá 100 celdas, incluso si esas células se estiran o aplastan.

Ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado un método para cambiar la topología fundamental de un material celular a microescala. La investigación se publica en Naturaleza .

"La creación de estructuras celulares capaces de cambiar dinámicamente su topología abrirá nuevas oportunidades en el desarrollo de materiales activos con cifrado de información, captura selectiva de partículas, así como mecánicas sintonizables, propiedades químicas y acústicas, "dijo Joanna Aizenberg, la profesora Amy Smith Berylson de ciencia de materiales en SEAS y profesora de química y biología química y autora principal del artículo.

Los investigadores aprovecharon la misma física que aglutina nuestro cabello cuando se moja:la fuerza capilar. La fuerza capilar funciona bien en blandos, material compatible, como nuestro cabello, pero lucha con estructuras celulares rígidas que requieren la flexión, estiramiento o plegado de paredes, especialmente alrededor de fuerte, nodos conectados. La fuerza capilar también es temporal, con materiales que tienden a volver a su configuración original después del secado.

Con el fin de desarrollar un método duradero pero reversible para transformar la topología de microestructuras celulares rígidas, los investigadores desarrollaron una estrategia dinámica de dos niveles. Comenzaron con una rigidez microestructura celular polimérica con una topología de celosía triangular, y lo expuso a gotitas de un disolvente volátil elegido para hinchar y ablandar el polímero a escala molecular. Esto hizo que el material fuera temporalmente más flexible y en este estado flexible, las fuerzas capilares impuestas por el líquido en evaporación unieron los bordes de los triángulos, cambiando sus conexiones entre sí y transformándolos en hexágonos. Luego, como el solvente se evaporó rápidamente, el material se secó y quedó atrapado en su nueva configuración, recuperando su rigidez. Todo el proceso tomó unos segundos.

"Cuando piensas en aplicaciones, es muy importante no perder las propiedades mecánicas de un material después del proceso de transformación, "dijo Shucong Li, estudiante de posgrado en el Aizenberg Lab y coautor del artículo. "Aquí, demostramos que podemos comenzar con un material rígido y terminar con un material rígido a través del proceso de ablandamiento temporal en la etapa de reconfiguración ".

La nueva topología del material es tan duradera que puede soportar el calor o sumergirse en algunos líquidos durante días sin desmontarlo. Su robustez en realidad planteó un problema para los investigadores que esperaban hacer reversible la transformación.

Para volver a la topología original, los investigadores desarrollaron una técnica que combina dos líquidos. El primero hincha temporalmente la celosía, que despega las paredes adheridas de los hexágonos y permite que la celosía vuelva a su estructura triangular original. El segundo, El líquido menos volátil retrasa la aparición de fuerzas capilares hasta que el primer líquido se ha evaporado y el material ha recuperado su rigidez. De este modo, las estructuras se pueden montar y desmontar repetidamente y quedar atrapadas en cualquier configuración intermedia.

"Para ampliar nuestro enfoque a las celosías arbitrarias, era importante desarrollar un modelo teórico generalizado que conecta las geometrías celulares, rigidez del material y fuerzas capilares, "dijo Bolei Deng, co-primer autor del artículo y estudiante de posgrado en el laboratorio de Katia Bertoldi, el Profesor William y Ami Kuan Danoff de Mecánica Aplicada en SEAS.

Guiados por este modelo, los investigadores demostraron transformaciones topológicas reversibles programadas de varias geometrías de celosía y materiales sensibles, incluyendo convertir una celosía de círculos en cuadrados.

Los investigadores exploraron varias aplicaciones para el estudio. Por ejemplo, el equipo codificó patrones y diseños en el material haciendo pequeños, ajustes invisibles a la geometría de la celosía triangular.

"Puede imaginarse que se utilizará para el cifrado de información en el futuro, porque no puede ver el patrón en el material cuando está sin ensamblar, "dijo Li.

Los investigadores también demostraron una transformación altamente local, ensamblar y desmontar regiones de la celosía con una pequeña gota de líquido. Este método podría usarse para ajustar las propiedades de fricción y humectación de un material, cambiar sus propiedades acústicas y resiliencia mecánica, e incluso atrapan partículas y burbujas de gas.

"Nuestra estrategia podría aplicarse a una variedad de aplicaciones, "dijo Bertoldi, quien también es coautor del artículo. "Podemos aplicar este método a diferentes materiales, incluyendo materiales receptivos, diferentes geometrías y diferentes escalas, incluso la nanoescala donde la topología juega un papel clave en el diseño de meta-superficies fotónicas sintonizables. El espacio de diseño para esto es enorme ".