(Phys.org) —Los esqueletos livianos de organismos como las esponjas marinas muestran una fuerza que supera con creces la de los productos artificiales construidos con materiales similares. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que la diferencia tiene que ver con la arquitectura jerárquica de los materiales biológicos:la forma en que los esqueletos a base de sílice se construyen a partir de diferentes elementos estructurales, algunos de los cuales se miden en la escala de mil millonésimas de metros, o nanómetros. Ahora, los ingenieros del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han imitado tal estructura al crear nanoestructurados, andamios de cerámica huecos, y han descubierto que los pequeños bloques de construcción, o celdas unitarias, De hecho, muestran una notable fuerza y ​​resistencia a fallas a pesar de ser más del 85 por ciento de aire.

"Inspirado, en parte, por materiales biológicos duros y por trabajos anteriores de Toby Schaedler y un equipo de HRL Laboratories, Caltech, y UC Irvine sobre la fabricación de microtrusos extremadamente ligeros, diseñamos arquitecturas con bloques de construcción de menos de cinco micrones de largo, lo que significa que el ojo humano no puede resolverlos, "dice Julia R. Greer, profesor de ciencia y mecánica de materiales en Caltech. "La construcción de estas arquitecturas a partir de materiales con dimensiones nanométricas nos ha permitido desacoplar la resistencia de los materiales de su densidad y fabricar los llamados metamateriales estructurales que son muy rígidos pero extremadamente ligeros".

A escala nanométrica, Se ha demostrado que los sólidos exhiben propiedades mecánicas que difieren sustancialmente de las exhibidas por los mismos materiales a escalas más grandes. Por ejemplo, El grupo de Greer ha demostrado previamente que a nanoescala, algunos metales son unas 50 veces más fuertes de lo habitual, y algunos materiales amorfos se vuelven dúctiles en lugar de quebradizos. "Estamos capitalizando estos efectos de tamaño y usándolos para hacer realidad, estructuras tridimensionales, "Dice Greer.

En una publicación anticipada en línea de la revista Materiales de la naturaleza , Greer y sus estudiantes describen cómo se hicieron las nuevas estructuras y respondieron a las fuerzas aplicadas.

La estructura más grande que el equipo ha fabricado hasta ahora con el nuevo método es un cubo de un milímetro. Las pruebas de compresión en toda la estructura indican que no solo las celdas unitarias individuales, sino también la arquitectura completa pueden estar dotadas de una resistencia inusualmente alta. dependiendo del material, lo que sugiere que la técnica de fabricación general que desarrollaron los investigadores podría usarse para producir peso ligero, componentes mecánicamente robustos a pequeña escala, como baterías, interfaces, catalizadores, y dispositivos biomédicos implantables.

Greer dice que el trabajo podría cambiar fundamentalmente la forma en que las personas piensan sobre la creación de materiales. "Con este enfoque, realmente podemos empezar a pensar en diseñar materiales al revés, ", dice." Puedo comenzar con una propiedad y decir que quiero algo que tenga esta fuerza o esta conductividad térmica, por ejemplo. Entonces puedo diseñar la arquitectura óptima con el material óptimo en el tamaño relevante y terminar con el material que quería ".

El equipo primero diseñó digitalmente una estructura de celosía con celdas unitarias octaédricas repetidas, un diseño que imita el tipo de estructura de celosía periódica que se ve en las diatomeas. Próximo, los investigadores utilizaron una técnica llamada litografía de dos fotones para convertir ese diseño en una red polimérica tridimensional. Luego recubrieron uniformemente esa celosía de polímero con capas delgadas del material cerámico nitruro de titanio (TiN) y quitaron el núcleo del polímero, dejando una nanored cerámica. La celosía está construida con puntales huecos con paredes de no más de 75 nanómetros de espesor.

"Ahora podemos diseñar exactamente la estructura que queremos replicar y luego procesarla de tal manera que esté hecha de casi cualquier clase de material que nos gustaría, por ejemplo, rieles, cerámica, o semiconductores, en las dimensiones adecuadas, "Dice Greer.

En un segundo artículo, programado para su publicación en la revista Materiales de ingeniería avanzada , El grupo de Greer demuestra que las celosías nanoestructuradas similares podrían estar hechas de oro en lugar de cerámica. "Básicamente, una vez que haya creado el andamio, Puede utilizar cualquier técnica que le permita depositar una capa uniforme de material encima. "Dice Greer.

En el Materiales de la naturaleza trabaja, El equipo probó las celdas octaédricas individuales del enrejado cerámico final y descubrió que tenían una resistencia a la tracción inusualmente alta. A pesar de estar sometido repetidamente a estrés, las celdas de celosía no se rompieron, mientras que una mucho más grande, Una pieza sólida de TiN se rompería con tensiones mucho menores. Las cerámicas típicas fallan debido a defectos:las imperfecciones, como agujeros y vacíos, que contienen. "Creemos que la mayor resistencia de estos materiales nanoestructurados proviene del hecho de que cuando las muestras se vuelven lo suficientemente pequeñas, sus defectos potenciales también se vuelven muy pequeños, y la probabilidad de encontrar un defecto débil dentro de ellos se vuelve muy baja, ", Dice Greer. Entonces, aunque la mecánica estructural predeciría que una estructura celular hecha de TiN sería débil porque tiene paredes muy delgadas, ella dice, "Podemos engañar eficazmente a esta ley reduciendo el grosor o el tamaño del material y ajustando su microestructura, o configuraciones atómicas ".