Los materiales para aplicaciones aeroespaciales enfrentan muchos desafíos. La estructura de una aeronave debe ser ligera pero resistente. Los componentes estructurales, como las alas o el fuselaje, deben resistir los daños y, al mismo tiempo, en algunas áreas deben poder soportar las altas temperaturas de los gases de escape del motor. Los componentes electrónicos de una aeronave también deben estar protegidos contra sobretensiones eléctricas debido a rayos u otras interferencias.

Desarrollar nuevos materiales que satisfagan estas múltiples demandas es en lo que ha estado trabajando la profesora asistente Anamika Prasad del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Dakota del Sur en colaboración con el grupo de investigación de materiales en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson.

Prasad recibió una beca del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. De ocho semanas el verano pasado para trabajar con la dirección de materiales y fabricación y continúa su investigación sobre compuestos basados ​​en MXene a través de una segunda beca este verano. El programa de becas, patrocinado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, construye relaciones con la ciencia a tiempo completo, profesores de matemáticas e ingeniería en colegios y universidades de EE. UU., brindándoles la oportunidad de realizar investigaciones en un laboratorio de investigación de la Fuerza Aérea.

"Fue una experiencia de colaboración increíble trabajar junto a científicos de AFRL y becarios de verano (profesores y estudiantes), "dijo Prasad, cuya investigación en SDSU se centra en el uso de estructuras inspiradas en plantas para diseñar y fabricar materiales compuestos.

Los profesores normalmente realizan investigaciones in situ, pero la pandemia de COVID-19 llevó a Prasad a trabajar de forma remota y cambió el enfoque al análisis computacional de MXenes, una nueva clase de materiales de ingeniería bidimensionales. El MRS Bulletin Impact está revisando un artículo que describe los resultados de su investigación del verano de 2020.

El ingeniero de materiales de investigación de AFRL, Dhriti Nepal, dijo:"Es un gran placer trabajar con el profesor Prasad. Sus conocimientos sobre estructuras bioinspiradas para la mecánica y el modelado multiescala han sido excepcionalmente valiosos para diseñar compuestos de próxima generación".

Centrándose en la multifuncionalidad

Los materiales de ingeniería generalmente caen en cubos individuales, Dijo Prasad. "Si queremos materiales resistentes, elegimos un metal; si queremos un material diseñado para ser flexible y de baja densidad, elegimos un polímero o plásticos; si queremos alta resistencia y resistencia al calor, elegimos una cerámica ". Sin embargo, para aplicaciones aeroespaciales, el énfasis está en materiales multifuncionales.

"La multifuncionalidad está integrada en los sistemas naturales, ", Dijo Prasad. Las plantas de crecimiento rápido deben ser flexibles pero mantener una resistencia óptima y proporcionar un camino resistente para la gestión del agua y térmica a medida que la estructura crece. Las conchas y los exoesqueletos son ejemplos de materiales con un buen equilibrio de tenacidad y resistencia a la vez que mantienen las propiedades, como la suavidad de la superficie para la defensa contra los parásitos.

MXene:pronunciado como el nombre Maxine, descubierto en 2011 en la Universidad de Drexel, tiene combinaciones de propiedades únicas. Se puede convertir en películas delgadas altamente conductoras y fuertes en capas de solo unos pocos átomos, similar al grafeno. "Este nuevo material bidimensional tiene una resistencia muy alta en un avión cuando se tira de él y es muy conductor y resistente al calor. "Dijo Prasad.

A diferencia del átomo único (carbono) del grafeno, La estructura de capas 2D de MXene puede tener una amplia gama de composiciones, donde M significa metal de transición temprano, como titanio o cromo, y X representa carbono y / o nitrógeno. "Debido a que los compuestos no son solo un elemento, podemos jugar con ellos, funcionalizar las capas superficiales para diferentes aplicaciones, "Dijo Prasad. Otros investigadores estiman que aún no se han descubierto más de un millón de compuestos de aleación MXene.

Sin embargo, Las películas puras de MXene tienen una fina estructura escamosa que dificulta la creación de una combinación compuesta que conserva las propiedades únicas al tiempo que proporciona durabilidad estructural. "Si agrega polímero a MXenes para formar un compuesto, proporciona estabilidad estructural, pero los compuestos pueden perder su principal funcionalidad de conductividad. Para hacerlos útiles, debemos encontrar caminos de diseño compuesto que no alteren sus propiedades únicas, "Dijo Prasad.

El químico de investigación de AFRL, Vikas Varshney, dijo:"La combinación de la multifuncionalidad con la viabilidad estructural en tales compuestos es crucial para una serie de aplicaciones estructurales de la Fuerza Aérea. Trabajando con el Dr. Prasad, planeamos modelar y explorar tanto espacio de fase como sea posible para comprender el papel de diferentes parámetros compuestos en el gobierno de sus propiedades estructurales, eventualmente guiando a los experimentadores hacia el desarrollo de materiales compuestos multifuncionales estructuralmente sólidos ".

Analizando estructuras MXene

Prasad comparó la estructura de los delgados, tabletas individuales escamosas de compuestos de polímero MXene a los ladrillos en capas y la estructura de mortero presente en algunos sistemas naturales como un medio de inspiración para el diseño compuesto.

"Muchas conchas, por ejemplo, internamente tienen una estructura de ladrillo-mortero en la que el ladrillo o las tejas son polígonos y son rígidos. Todas las baldosas están dispersas dentro de un mortero polimérico, que une las baldosas y les permite ceder o flexionar, " ella dijo.

Los azulejos en sí tienen un ondulado, estructura rugosa, Prasad continuó. Esta irregularidad hace que las tejas se entrelacen. "Cuando se produce una grieta, viaja por el camino en zigzag a través del polímero similar a un mortero, que proporciona juntas de sacrificio que se rompen para darle (a la pieza) mayor resistencia y resistencia a la fractura ".

El verano pasado, ella y sus equipos de AFRL analizaron compuestos naturales para comprender cómo sus características de diseño únicas podrían aplicarse a MXenes. Este verano, Continuó con las tareas para desarrollar simulaciones para modelar compuestos basados ​​en MXene e interacciones de superficies.

"Queremos predecir su respuesta a macroescala a partir de lo que está sucediendo a un nivel atómico de diseño de materiales, "Prasad. A partir de este otoño, Mayor senior de ingeniería mecánica Jordan VonSeggern de Elk Point, Dakota del Sur, se unirá a su grupo de investigación para continuar desarrollando el modelo a través de una pasantía apoyada por AFRL.

A través de su colaboración con los investigadores de AFRL, Prasad ha "encontrado un grupo de personas que me apoyan mucho y me han ayudado a explorar nuevas ideas". Ella planea continuar aplicando lo que ha aprendido sobre los compuestos basados ​​en MXene a su investigación en SDSU.

"Puedo crear materiales compuestos basados ​​en MXene y funcionalizar las capas para proporcionar la capacidad de detectar el crecimiento de las plantas o ver lo que fluye dentro de los tejidos del xilema". ", dijo. Duro, Las películas flexibles fabricadas con MXenes se pueden utilizar para crear sensores biomédicos que miden la conductividad eléctrica a medida que los diferentes nutrientes fluyen a través de los tejidos de las plantas.

Esta primavera, Prasad recibió una investigación de SDSU, Beca del Fondo del Desafío de Becas y Actividades Creativas para comenzar a desarrollar herramientas de simulación para predecir las propiedades de los compuestos basados ​​en MXene y aportar capacidades de aprendizaje automático en su investigación de materiales. El RSCA Challenge Fund de SDSU ayuda a los profesores a generar datos preliminares para aumentar su capacidad de competir por financiamiento externo.