Una capa delgada de polímero blando puede ayudar a evitar que las estructuras cerámicas con nudos se rompan, según científicos de materiales de la Universidad de Rice.

La cerámica hecha con impresoras 3D se agrieta bajo tensión como cualquier plato o cuenco. Pero cubierto de un polímero suave curado bajo luz ultravioleta, los mismos materiales tienen muchas más posibilidades de mantener su integridad estructural, al igual que el vidrio tratado del parabrisas de un automóvil, es menos probable que se rompa.

La investigación en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, que aparece en Avances de la ciencia , demuestra el concepto en schwarzites, celosías complejas que durante décadas existieron solo como teoría pero que ahora se pueden hacer con impresoras 3D. Con polímeros añadidos, llegan a parecerse a estructuras que se encuentran en la naturaleza como conchas marinas y huesos que consisten en plaquetas endurecidas en una matriz de biopolímero.

Schwarzites, llamado así por el científico alemán Hermann Schwarz, quien planteó la hipótesis en la década de 1880 de que las estructuras "curvadas negativamente" podrían usarse donde se necesiten materiales muy fuertes pero livianos, desde baterías hasta huesos y edificios.

Los investigadores dirigidos por los científicos de materiales de Rice Pulickel Ajayan y Muhammad Rahman y el estudiante de posgrado y autor principal Seyed Mohammad Sajadi demostraron a través de experimentos y simulaciones que una capa de polímero de no más de 100 micrones de espesor hará que las schwarzitas frágiles sean hasta 4.5 veces más resistentes a fracturas catastróficas. .

Las estructuras aún pueden agrietarse bajo presión, pero no se desmoronarán.

"Hemos visto claramente que las estructuras sin revestimiento son muy frágiles, "dijo Rahman, un científico investigador en Rice. "Pero cuando ponemos las estructuras revestidas bajo compresión, tomarán la carga hasta que se rompan por completo. Y curiosamente, incluso entonces no se rompen completamente en pedazos. Permanecen encerrados como vidrio laminado ".

El equipo, con miembros en Hungría, Canadá e India, creó modelos informáticos de las estructuras y los imprimió con una "tinta" cerámica infundida con polímero. La cerámica fue curada sobre la marcha mediante luces ultravioleta en la impresora, y luego sumergido en polímero y curado de nuevo.

Junto con las unidades de control sin recubrimiento, los intrincados bloques se sometieron luego a alta presión. Los schwarzites de control se hicieron añicos como se esperaba, pero el recubrimiento de polímero evitó que las grietas se propagaran en los demás, permitiendo que las estructuras mantengan su forma.

Los investigadores también compararon las schwarzitas con cerámicas sólidas recubiertas y encontraron que las estructuras porosas eran inherentemente más resistentes.

"La arquitectura definitivamente tiene un papel, ", Dijo Sajadi." Vimos que si cubrimos una estructura sólida, el efecto del polímero no fue tan eficaz como con la schwarzita ".

Ajayan dijo que los recubrimientos actuaban un poco como los materiales naturales que imitan, ya que el polímero infunde defectos en la cerámica y mejora su resistencia.

Rahman dijo que varias aplicaciones estructurales podrían beneficiarse de las cerámicas mejoradas con polímeros. Su biocompatibilidad también podría eventualmente hacerlos adecuados para prótesis.

"Estoy bastante seguro de que si podemos optimizar estas estructuras topológicamente, también son muy prometedores para su uso como bioandamios, "Dijo Rahman.