Una schwarzita creada en una impresora 3-D por científicos de materiales de la Universidad de Rice hace realidad una teoría matemática formada hace más de 100 años. La superficie curva se repite en toda la estructura, que mostró excelentes características de resistencia y deformación en pruebas en Rice. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Los ingenieros de la Universidad de Rice están utilizando impresoras 3-D para convertir estructuras que hasta ahora existían principalmente en teoría en sólidas, materiales ligeros y duraderos con complejos, patrones repetidos.
Las estructuras porosas llamadas schwarzitas están diseñadas con algoritmos informáticos, pero los investigadores de Rice descubrieron que podían enviar datos desde los programas a las impresoras y hacer macroescala, modelos de polímeros para pruebas. Sus muestras se esfuerzan por utilizar la menor cantidad de material posible y aún así proporcionar resistencia y compresibilidad.
Los resultados informados en Materiales avanzados son obras de arte que algún día pueden dar lugar a dispositivos electrónicos a nanoescala, catalizadores, tamices moleculares y componentes de baterías, y en la macroescala podría volverse de alta carga, componentes resistentes a impactos para edificios, automóviles y aviones.
Puede que algún día sea posible ellos dijeron, para imprimir un edificio completo como un "ladrillo" schwarzite.
Schwarzites, nombrado en honor al científico alemán Hermann Schwarz, quien planteó la hipótesis de las estructuras en la década de 1880, son maravillas matemáticas que han inspirado una gran cantidad de construcciones y materiales orgánicos e inorgánicos. El descubrimiento en Rice del buckminsterfullereno (o buckyball), ganador del Premio Nobel, proporcionó más inspiración a los científicos para explorar el diseño de formas tridimensionales a partir de superficies bidimensionales.
Tales estructuras siguieron siendo teóricas hasta que las impresoras 3D proporcionaron la primera forma práctica de hacerlas. El laboratorio de Rice del científico de materiales Pulickel Ajayan, en colaboración con investigadores de la Universidad de Campinas, Sao Paulo, investigó la construcción ascendente de schwarzitas a través de simulaciones de dinámica molecular y luego imprimió esas simulaciones en forma de cubos de polímero.
"Las geometrías de estos son realmente complejas; todo es curvo, las superficies internas tienen curvatura negativa y las morfologías son muy interesantes, "dijo el investigador postdoctoral de Rice, Chandra Sekhar Tiwary, quien dirigió un estudio anterior que mostró cómo las conchas marinas protegen los cuerpos blandos de la presión extrema al transferir el estrés a través de sus estructuras.
Una impresora 3D esboza una schwarzita en un laboratorio de la Universidad de Rice. La superficie curva de una schwarzita se repite en toda la estructura, que muestra excelentes características de resistencia y deformación. Crédito:Brandon Martin / Rice University
"Las estructuras de schwarzita son muy parecidas, ", dijo." La teoría muestra que a escala atómica, estos materiales pueden ser muy fuertes. Resulta que hacer la geometría más grande con polímero nos da un material con una alta capacidad de carga ".
Schwarzites también mostró excelentes características de deformación, él dijo. "La forma en que se rompe un material es importante, "Dijo Tiwary." No quieres que las cosas se rompan catastróficamente; quieres que se rompan lentamente. Estas estructuras son hermosas porque si aplicas fuerza a un lado, se deforman lentamente, capa por capa.
Desde la izquierda, Los investigadores de la Universidad de Rice, Chandra Sekhar Tiwary, Seyed Mohammad Sajadi, Peter Owuor, Pulickel Ajayan y Robert Vajtai sostienen muestras de schwarzites impresas en 3-D, bloques porosos basados en modelos matemáticos complejos creados en el siglo XIX y desarrollados en el siglo XX. Los materiales conservan su fuerza a cualquier escala, de lo nano a lo macro. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"Puedes hacer un edificio completo con este material, y si algo le cae encima, se va a derrumbar lentamente, así que lo que hay dentro estará protegido, " él dijo.
Debido a que pueden tomar una variedad de formas, el equipo de Rice limitó su investigación a las estructuras primitivas y giroideas, que tienen superficies mínimas periódicas tal como las concibió originalmente Schwarz. En pruebas, ambos transfirieron cargas a través de toda la geometría de las estructuras sin importar qué lado estaba comprimido. Eso fue cierto en las simulaciones a nivel de átomo, así como en los modelos impresos.
Eso fue inesperado, dijo Douglas Galvão, profesor de la Universidad de Campinas que estudia nanoestructuras a través de simulaciones de dinámica molecular. Sugirió el proyecto cuando Tiwary visitó el campus de Brasil como investigador a través de la Sociedad Estadounidense de Física y la Sociedad Brasileña de Física.
"Es un poco sorprendente que algunas características de escala atómica se conserven en las estructuras impresas, "Dijo Galvão." Discutimos que sería bueno si pudiéramos traducir modelos atómicos de schwarzita en estructuras impresas en 3-D. Después de algunas tentativas, funcionó bastante bien. Este artículo es un buen ejemplo de una colaboración teoría-experimento eficaz ".
Los investigadores dijeron que su próximo paso será refinar las superficies con impresoras de mayor resolución y minimizar aún más la cantidad de polímero para hacer que los bloques sean aún más livianos. En el futuro lejano imaginan imprimir schwarzites tridimensionales con materiales cerámicos y metálicos en una escala mayor.
"No hay razón para que tengan que ser bloques, ", dijo el coautor y estudiante graduado de Rice, Peter Owuor." Básicamente, estamos haciendo cristales perfectos que comienzan con una sola célula que podemos replicar en todas las direcciones ".
