Los científicos de materiales de ETH-Zürich están trabajando en materiales compuestos que imitan la estructura de las conchas marinas. Estas estructuras complejas se producen utilizando pequeñas partículas magnéticas que guían los elementos más rígidos de los compuestos a su lugar. Esta técnica permite nuevas tecnologías, desde revestimientos duraderos hasta materiales más resistentes y ligeros.

Los materiales compuestos están muy extendidos en nuestra sociedad. Se utilizan en una amplia gama de estructuras, desde alas de avión y barcos de fibra de vidrio hasta palas de turbinas eólicas y restauraciones dentales. Debido a que los compuestos combinan diferentes clases de materiales como plásticos, rieles, y cerámica, es posible diseñarlos para que sean a la vez rígidos y fuertes, ligero y flexible. Esta combinación de propiedades no se puede lograr utilizando una sola clase de material; los plásticos no son rígidos, los metales no son ligeros, y la cerámica no es flexible.

El diseño y fabricación de materiales compuestos que logran estas combinaciones de propiedades requiere la orientación y colocación adecuadas de fibras cerámicas o poliméricas fuertes y rígidas dentro de un material polimérico más suave y ligero, como un pegamento epoxi. Sin la orientación adecuada, los elementos más rígidos son ineficaces en su papel de fortalecer el material más blando.

Gran rigidez y resistencia.

La capacidad de controlar esta orientación ha eludido durante mucho tiempo a los fabricantes de compuestos. Los materiales compuestos actuales contienen fibras rígidas a menudo dispuestas como una pieza de tela, que luego se infiltra con un suave, resina polimérica ligera. Esto proporciona una alta rigidez y resistencia en el plano de la tela que se puede observar fácilmente tirando de los extremos de una sola capa de tela. Las técnicas de fabricación actuales apilan numerosas capas delgadas para crear estructuras más grandes.

Sin embargo, esto normalmente conduce a materiales compuestos con poca resistencia al impacto y alta susceptibilidad a la delaminación entre capas apiladas. Curiosamente, Los materiales compuestos producidos por organismos vivos presentan soluciones elegantes a estos problemas mediante la construcción de compuestos biológicos utilizando elementos de refuerzo con arquitecturas 3D únicas. como lo ejemplifica la estructura de la concha. También se encuentran estrategias de refuerzo 3D similares en los dientes, tallos de huesos y plantas.

Control preciso de los elementos de refuerzo.

En el número del 13 de enero de la revista Ciencias , Los investigadores de ETH-Zurich han revelado una técnica recientemente desarrollada que permite el control preciso de estos elementos de refuerzo más rígidos dentro de un compuesto sintético. Su técnica emplea fuerzas magnéticas, confiando en un fenómeno similar a un imán de barra que orienta los empastes de hierro. El desafío clave fue el hecho de que los materiales de interés para los compuestos no son magnéticos y, por lo tanto, no reaccionan ellos mismos a las fuerzas de los imanes.

El equipo de ETH descubrió que podían permitir una respuesta magnética en estos materiales al unir una cantidad sorprendentemente pequeña de nanopartículas magnéticas (1/1000 del diámetro de un cabello humano) en la superficie de los elementos rígidos. Este método solo funciona para elementos rígidos de un tamaño definido en el rango de micrómetros, que se superpone con los tamaños de interés clave en la industria de los compuestos. El uso de elementos más rígidos en esta escala proporciona control de orientación utilizando campos magnéticos que son solo 20 veces los de la Tierra. Para comparacion, las rayas de las tarjetas de crédito emiten campos magnéticos que se aproximan a 2, 000 veces mayor que el campo de la Tierra.

Poniendo la técnica en uso industrial

El equipo de investigación demostró que esta técnica se puede utilizar para producir una familia completa de nuevas estructuras compuestas que antes no era posible (Figura 2). Estas nuevas estructuras exhiben propiedades de material programables en cualquier dirección deseada, una característica que no ha sido demostrada con técnicas anteriores. Debido a que el nuevo método se basa en campos magnéticos tan bajos y recubrimientos pequeños, la aplicabilidad en los procesos de fabricación existentes es clara.

El equipo de ETH está trabajando actualmente con empresas comerciales para poner esta técnica en uso industrial. The industrialization of this approach offers a pathway to lighter, cheaper, and stronger composite materials for the automotive and aerospace industries and for the development of materials to promote renewable energy harvesting such as with lighter, stronger wind turbine blades.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.