El ingeniero de Lawrence Livermore Xiaoyu "Rayne" Zheng, autor principal del artículo de Science, estudia una versión a macroescala de la celda unitaria, que constituye el ultraligero, material ultra rígido. Crédito:Julie Russell / LLNL.
¿Cuál es la diferencia entre la Torre Eiffel y el Monumento a Washington? Ambas estructuras se elevan a alturas impresionantes, y cada uno fue el edificio más alto del mundo cuando se completó. Pero el Monumento a Washington es una enorme estructura de piedra, mientras que la Torre Eiffel logra una fuerza similar usando una celosía de vigas de acero y puntales que es principalmente al aire libre, ganando fuerza a partir de la disposición geométrica de esos elementos.
Ahora, los ingenieros del MIT y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han ideado una forma de traducir ese aire, pero notablemente fuerte, estructura hasta la microescala:diseño de un sistema que podría fabricarse a partir de una variedad de materiales, como metales o polímeros, y eso puede establecer nuevos récords de rigidez para un peso dado.
El nuevo diseño se describe en la revista. Ciencias por Nicholas Fang del MIT; ex postdoctorado Howon Lee, ahora profesor asistente en la Universidad de Rutgers; el investigador visitante Qi "Kevin" Ge; Christopher Spadaccini y Xiaoyu "Rayne" Zheng de LLNL; y otros ocho.
El diseño se basa en el uso de microredes con características a nanoescala, combinando una gran rigidez y resistencia con una densidad ultrabaja, dicen los autores. La producción real de tales materiales es posible gracias a un proceso de impresión 3D de alta precisión llamado microestereolitografía de proyección, como resultado de la colaboración de investigación conjunta entre los grupos Fang y Spadaccini desde 2008.
Normalmente, Fang explica, la rigidez y la resistencia disminuyen con la densidad de cualquier material; es por eso que cuando la densidad ósea disminuye, las fracturas se vuelven más probables. Pero utilizando las estructuras correctas determinadas matemáticamente para distribuir y dirigir las cargas, la forma en que la disposición vertical, horizontal, y las vigas diagonales lo hacen en una estructura como la Torre Eiffel:la estructura más liviana puede mantener su fuerza.
Una sorpresa agradable
La base geométrica de tales microestructuras se determinó hace más de una década, Fang dice:pero se necesitaron años para transferir esa comprensión matemática "a algo que podamos imprimir, mediante una proyección digital, para convertir este modelo sólido en papel en algo que podamos sostener en la mano ". El resultado fue" una agradable sorpresa para nosotros, " él añade, funcionando incluso mejor de lo previsto.
"Descubrimos que para un material tan ligero y escaso como el aerogel [una especie de espuma de vidrio], vemos una rigidez mecánica comparable a la del caucho macizo, y 400 veces más fuerte que una contraparte de densidad similar. Tales muestras pueden soportar fácilmente una carga de más de 160, 000 veces su propio peso, "dice Fang, el Brit y Alex d'Arbeloff, Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera en Diseño de Ingeniería. Hasta aquí, los investigadores del MIT y LLNL han probado el proceso utilizando tres materiales de ingeniería:metal, cerámico, y polímero, y todos mostraron las mismas propiedades de rigidez con un peso ligero.
"Este material se encuentra entre los más ligeros del mundo, "Spadaccini de LLNL dice". Sin embargo, por su diseño microarquitecturado, Se desempeña con una rigidez cuatro órdenes de magnitud más alta que los materiales no estructurados, como aerogeles, a una densidad comparable ".
Esta imagen de microscopio muestra una sola unidad de la estructura desarrollada por el equipo, llamada celda unitaria de celosía de octeto dominada por estiramiento, hecho de un polímero usando microestereolitografía 3-D. Crédito:Cortesía de los investigadores.
Material ligero, cargas pesadas
Este enfoque podría ser útil en cualquier lugar donde se necesite una combinación de alta rigidez (para soporte de carga), alta resistencia, y peso ligero, como en estructuras que se desplegarán en el espacio, donde cada peso aumenta significativamente el costo de lanzamiento. Pero Fang dice que también puede haber aplicaciones a menor escala, como en baterías para dispositivos portátiles, donde también es muy deseable un peso reducido.
Otra propiedad de estos materiales es que conducen ondas sonoras y elásticas de manera muy uniforme, lo que significa que podrían conducir a nuevos metamateriales acústicos, Fang dice:eso podría ayudar a controlar cómo las ondas se doblan sobre una superficie curva.
Otros han sugerido principios estructurales similares a lo largo de los años, como una propuesta el año pasado por investigadores del Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT para materiales que podrían cortarse como paneles planos y ensamblarse en pequeñas celdas unitarias para hacer estructuras más grandes. Pero ese concepto requeriría ensamblaje por sistemas robóticos que aún no se han desarrollado, dice Fang, quien ha discutido este trabajo con investigadores de CBA. Esta tecnica, él dice, utiliza tecnología de impresión 3-D que se puede implementar ahora.
