En el futuro, las alas de los jets podrían ser tan ligeras como la madera de balsa, pero más fuerte que las aleaciones metálicas más resistentes. Esa es la promesa de los materiales nanocompuestos.

Los nanocompuestos son un verdadero ejemplo de nanotecnología. Son una clase especial de materiales hechos de componentes de menos de una milésima parte del grosor de un cabello humano. El control de estos componentes de tamaño nanométrico ofrece innumerables posibilidades para desarrollar materiales con propiedades únicas.

Los nanocompuestos se pueden hacer flexibles y fuertes, o resistente al calor y los productos químicos. Los materiales nanocompuestos están diseñados para exhibir propiedades físicas que exceden en gran medida las capacidades de la suma de sus partes constituyentes.

Investigadores de Stanford e IBM han probado los límites superiores de tenacidad mecánica en una clase de nanocompuestos ligeros endurecidos por moléculas individuales. y ofreció un nuevo modelo de cómo obtienen su dureza.

Las aplicaciones potenciales de los nanocompuestos abarcan muchas industrias, desde los circuitos de la computadora hasta el transporte y el atletismo. Incluso podrían revolucionar los vuelos espaciales con su capacidad para soportar tensiones y temperaturas extremas.

El estudio aparece en la edición del 16 de noviembre de la revista Materiales de la naturaleza por un equipo de ingeniería dirigido por Reinhold Dauskardt, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, y Geraud Dubois, del Centro de Investigación de Almaden de IBM. El estudio fue patrocinado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Bienvenidos a la matriz

El nanocompuesto en este estudio comenzó con un esqueleto molecular similar al vidrio, llamada matriz. Por sí mismo, la matriz es como una esponja, entrelazado con miles de millones de poros del tamaño de un nanómetro que atraviesan y entre su estructura molecular.

"Esta esponja no es suave ni flexible como las de tu cocina, sin embargo, pero muy frágil, "Dijo Dauskardt.

Luego, los investigadores infundieron la matriz con largos, moléculas de poliestireno en forma de cadena, el mismo material en una taza de café de espuma de poliestireno. El equipo de Stanford / IBM se apartó de la convención en la forma en que difundió el polímero en la matriz.

"Tomamos estas moléculas extremadamente grandes, muchos, muchas veces más grandes que los poros mismos, y los confinó en estos espacios diminutos, "Dijo Dauskardt." Fue bastante especial. Típicamente, si calientas demasiado estas moléculas se rompen, pero descubrimos cómo calentarlos lo suficiente para que se difundan uniformemente en la matriz ".

Puentes moleculares

En el papel, el equipo describe un mecanismo de endurecimiento previamente desconocido que difiere de la comprensión existente de cómo los compuestos obtienen su dureza, una cualidad definida como la capacidad de resistir la fractura.

Como un compuesto se dobla, se retuerce y se estira, los polímeros largos se extraen de los confines de los poros, extendiéndose a medida que avanzan.

"Las moléculas actúan como un tipo especial de resorte, lo que los ingenieros llamarían 'resortes entrópicos', para mantener unido el compuesto, "Dijo Dauskardt.

Los hallazgos no trastocan las teorías existentes, sino que las amplían. El entendimiento convencional era que los polímeros largos se enredan entre sí para proporcionar dureza, similar a la forma en que las fibras entrelazadas de un hilo proporcionan resistencia a la tracción.

En el compuesto Stanford / IBM, sin embargo, las moléculas de polímero están dispersas y rodeadas por las paredes de los poros, prevenir y limitar el efecto del enredo. Tenía que haber otra explicación para el efecto endurecedor, conduciendo a la nueva teoría del equipo del endurecimiento inducido por el confinamiento.

"En nuestro modelo, los segmentos de polímero puentean posibles fracturas, pegado dentro de los poros de la matriz para mantener el material unido, "Dijo Dauskardt." Si una grieta se propagara, las cadenas confinadas salen de los poros y, colectivamente, alargar en grandes cantidades para disipar la energía que de otro modo rompería el material ".

Llevándolo al límite

La cantidad de endurecimiento depende del tamaño molecular del polímero utilizado en el nanocompuesto y de qué tan confinadas están las moléculas en los poros. Por último, sin embargo, como todas las cosas, hay límites para su dureza.

"Hemos demostrado que existe un límite fundamental que estas moléculas eventualmente alcanzan antes de romperse, que depende de la fuerza de las propias moléculas individuales, " Dauskardt said.

Knowing such limits, él dijo, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."