Un equipo de investigadores ha desarrollado una clase completamente nueva de metamateriales que pueden responder casi instantáneamente y endurecer las estructuras impresas en 3D cuando se exponen a un campo magnético. un desarrollo que podría aplicarse a los cascos de próxima generación, armaduras portátiles y una serie de otras innovaciones.

Los "metamateriales mecánicos sensibles al campo" (FRMM) emplean un viscoso, Fluido magnéticamente sensible que se inyecta manualmente en los puntales huecos y vigas de celosías impresas en 3D. A diferencia de otros materiales de transformación de formas o los llamados materiales "impresos en 4-D" (la cuarta dimensión es el tiempo), la estructura general de los FRMM no cambia. Las partículas ferromagnéticas del fluido ubicadas en el núcleo de los haces forman cadenas en respuesta al campo magnético que, como resultado, endurece el fluido y la estructura reticular. Esta respuesta ocurre rápidamente, en menos de un segundo. El periódico Avances de la ciencia publicó la investigación en línea hoy.

"En este artículo realmente queríamos centrarnos en el nuevo concepto de metamateriales con propiedades ajustables, y aunque se trata de un proceso de fabricación un poco más manual, todavía destaca lo que se puede hacer, y eso es lo que creo que es realmente emocionante "dijo la autora principal Julie (Jackson) Mancini, ingeniero del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, quien ha trabajado en el proyecto desde 2014.

"Se ha demostrado que a través de la estructura, Los metamateriales pueden crear propiedades mecánicas que a veces no existen en la naturaleza o pueden estar altamente diseñadas, pero una vez que construyes la estructura te quedas atascado con esas propiedades, "Mancini dijo." Una próxima evolución de estos metamateriales es algo que puede adaptar sus propiedades mecánicas en respuesta a un estímulo externo. Esos existen pero responden cambiando de forma o color y el tiempo que se tarda en obtener una respuesta puede ser del orden de minutos u horas. Con nuestros FRMM's, la forma general no cambia y la respuesta es muy rápida, lo que lo distingue de estos otros materiales ".

Mancini comenzó el trabajo en la Universidad de California Davis con el asesor de su maestría, el profesor de materiales e ingeniería Ken Loh, que ahora está en la Universidad de California en San Diego. Loh dijo que el concepto se inspiró en parte en los sistemas de suspensión automotrices y comenzó buscando formas de desarrollar una armadura flexible capaz de transformarse o cambiar sus propiedades mecánicas según sea necesario.

"Uno de los criterios es lograr una respuesta rápida, y los campos magnéticos y los materiales de RM ofrecen esa capacidad, "dijo Loh, profesor en el Departamento de Ingeniería Estructural de la Escuela de Ingeniería Jacobs en UC San Diego.

Loh dijo que los investigadores buscarán nuevas formas de desarrollar un material de una sola fase, en lugar de tener un líquido incrustado en un sólido, y mayores relaciones rendimiento-peso, añadiendo que el trabajo futuro "podría conducir a nuevas tecnologías, como una armadura flexible para el guerrero que se endurece instantáneamente cuando se detecta una amenaza ".

Los investigadores inyectaron un fluido magnetorreológico (MR) en estructuras de celosía hueca construidas en la plataforma de microstereolitografía de proyección de área grande (LAPµSL) de LLNL, que imprime objetos en 3D con características de microescala en áreas amplias utilizando luz y una resina de polímero fotosensible. La nueva forma de metamaterial sintonizable dinámicamente debe mucho de su éxito a la máquina LAPµSL, Mancini dijo:Debido a que las complejas estructuras de celosía tubular tenían que fabricarse con paredes delgadas en relación con el tamaño total de la estructura, y capaz de mantener el fluido contenido mientras resiste la presión generada durante el proceso de llenado y la respuesta a un campo magnético.

Una vez que el fluido magnéticamente sensible está dentro de las estructuras reticulares, la aplicación de un campo magnético externo hace que el fluido se endurezca y las estructuras impresas en 3D en general se endurezcan posteriormente casi instantáneamente. El cambio es fácilmente reversible y altamente sintonizable al variar la fuerza del campo magnético aplicado, dijeron los investigadores.

"Lo que es realmente importante es que no se trata solo de una respuesta intermitente, Al ajustar la intensidad del campo magnético aplicado, podemos obtener una amplia gama de propiedades mecánicas, "Dijo Mancini." La idea de sobre la marcha, la sintonización remota abre la puerta a muchas aplicaciones ".

Mancini dijo que la tecnología podría ser útil para la absorción de impactos, por ejemplo, Los asientos de automóviles podrían tener metamateriales sensibles a los fluidos integrados en el interior junto con sensores para detectar un choque, y los asientos se endurecerían con el impacto, potencialmente reduciendo el movimiento del pasajero que puede causar latigazo cervical. También podría aplicarse a cascos de próxima generación o collarines, carcasa para componentes ópticos y robótica blanda, entre muchas otras aplicaciones.

Para predecir cómo responderían las estructuras reticulares llenas de fluido de MR arbitrarias a un campo magnético aplicado, El ex investigador de LLNL Mark Messner (ahora ingeniero de planta en el Laboratorio Nacional de Argonne) desarrolló un modelo a partir de pruebas de un solo puntal.

Comenzando con un modelo que desarrolló en LLNL que predice las propiedades mecánicas de materiales estructurados en celosía estática no sintonizable, Messner agregó una representación de cómo el fluido MR afecta a un solo miembro de celosía bajo un campo magnético e incorporó el modelo de un solo puntal en un diseño para celdas unitarias y celosías. Desde allí, pudo calibrar el modelo para los experimentos que Mancini realizó en tubos llenos de líquido similares a los puntales de las celosías. El equipo utilizó el modelo para optimizar la topología de la red, encontrar las estructuras que darían lugar a grandes cambios en las propiedades mecánicas a medida que se variaba el campo magnético.

"Observamos la rigidez elástica, pero el modelo (o modelos similares) se puede utilizar para optimizar diferentes estructuras de celosía para diferentes tipos de objetivos, "Messner dijo." El espacio de diseño de posibles estructuras de celosía es enorme, por lo que el modelo y el proceso de optimización nos ayudaron a elegir estructuras probables con propiedades favorables antes de imprimir (Mancini), lleno, y probó las muestras reales, que es un proceso largo ".

Mancini dijo que ella y su equipo continuarán trabajando para imprimir estructuras con el fluido que responde al campo magnético incorporado para eliminar la etapa de llenado manual. y en aumentar el tamaño total de las estructuras.