Un nuevo proceso desarrollado en Caltech permite por primera vez fabricar grandes cantidades de materiales cuya estructura está diseñada a escala nanométrica, el tamaño de la doble hélice del ADN.

Iniciado por la científica de materiales de Caltech Julia R. Greer, "materiales de nanoarquitectura" exhiben inusuales, propiedades a menudo sorprendentes, por ejemplo, cerámicas excepcionalmente ligeras que recuperan su forma original, como una esponja, después de ser comprimido. Estas propiedades podrían ser deseables para aplicaciones que van desde sensores táctiles ultrasensibles hasta baterías avanzadas, pero hasta ahora, los ingenieros solo han podido crearlos en cantidades muy limitadas. Para crear un material cuya estructura esté diseñada a una escala tan pequeña, a menudo tienen que ensamblarse nanocapa por nanocapa en un proceso de impresión 3-D que utiliza un láser de alta precisión y productos químicos sintetizados a medida. Ese minucioso proceso limita la cantidad total de material que se puede construir.

Ahora, un equipo de ingenieros de Caltech y ETH Zurich ha desarrollado un material que está diseñado a nanoescala pero que se ensambla solo, sin necesidad del ensamblaje láser de precisión. Por primera vez, pudieron crear una muestra de material nanoarquitecturado en la escala de centímetros cúbicos.

"No pudimos imprimir en 3D tanto material de nanoarquitectura ni siquiera en un mes; en cambio, podemos cultivarlo en cuestión de horas, "dice Carlos Portela, becario postdoctoral en Caltech y autor principal de un estudio sobre el nuevo proceso que fue publicado por la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) el 2 de marzo.

A nanoescala, el material parece una esponja, pero en realidad es un conjunto de conchas curvas interconectadas. Esa es la clave de la alta relación rigidez y resistencia a peso del material:las cáscaras delgadas suavemente curvadas, como las de un huevo, están libres de esquinas o cruces, que suelen ser puntos débiles que conducen a fallas en otros materiales similares. Esto proporciona beneficios mecánicos únicos con un mínimo de material realmente utilizado. En prueba, una muestra del material pudo lograr relaciones de resistencia a densidad comparables a algunas formas de acero, mientras que las configuraciones de paredes más delgadas exhiben daños y recuperación insignificantes después de una compresión repetida.

"Esta nueva ruta de fabricación, respaldado por el análisis experimental y numérico que hemos realizado, nos acerca un paso más a la posibilidad de producir materiales de nanoarquitectura a una escala útil, con una marcada facilidad de fabricación, "dice Greer, el profesor Ruben F. y Donna Mettler de Ciencia de los Materiales, Mecánica, e Ingeniería Médica y coautora del artículo PNAS.

Aunque es considerablemente más resistente que prácticamente todos los materiales nanoarquitectos con densidades similares sintetizados por el grupo Greer, lo que hace que estos materiales llamados nanolaberínticos sean particularmente especiales es que se ensamblan solos. Este logro, dirigido por el estudiante graduado de Caltech Daryl Yee, funciona así:dos materiales que no se disuelven entre sí se mezclan, mezclándolos para crear un estado desordenado. Calentar la mezcla polimeriza los materiales para que la geometría actual quede bloqueada en su lugar. Luego se retira uno de los dos materiales, dejando proyectiles a nanoescala. La plantilla porosa resultante se recubre posteriormente, y luego se elimina el segundo polímero. Lo que queda es una red de nano-shell liviana.

El proceso requiere una precisión extrema; si se calienta incorrectamente, la microestructura se fundirá o colapsará y no dará lugar a capas interconectadas. Pero por primera vez el equipo ve el potencial para ampliar la nanoarquitectura.

"Es emocionante ver cómo nuestras arquitecturas de nanoescala óptimas diseñadas computacionalmente se realizan de manera experimental en el laboratorio, "dice Dennis M. Kochmann, autor correspondiente del artículo de PNAS y profesor de mecánica y materiales en ETH Zurich y asociado visitante en aeroespacial en Caltech. Su equipo, incluyendo al ex estudiante graduado de Caltech A. Vidyasagar y Sebastian Krödel y Tamara Weissenbach de ETH Zurich, predijo las propiedades versátiles de los materiales nanolaberínticos a través de la teoría y las simulaciones.

Próximo, el equipo planea expandir la capacidad de ajuste y versatilidad del proceso explorando vías para controlar cuidadosamente la microestructura, ampliar las opciones de materiales para las nanoconchas, e impulsar la producción de mayores volúmenes del material.

El artículo se titula "Resistencia mecánica extrema de los materiales nanolaberínticos autoensamblados".