Diseño y fabricación de estructuras celulares de nanotubos de carbono de pared múltiple/copolímero aleatorio de polipropileno (PPR/MWCNT):modelos CAD e imágenes de redes de PPR/MWCNT fabricadas de forma aditiva con un 6 % en peso de nanotubos de carbono (CNT) y una densidad relativa del 30 %. Crédito:Materiales de ingeniería avanzada (2022). DOI:10.1002/adem.202200194
Las formas celulares de los materiales naturales son la inspiración detrás de un nuevo material de arquitectura inteligente, ligero e impreso en 3D, desarrollado por un equipo internacional de ingenieros.
El equipo, dirigido por ingenieros de la Universidad de Glasgow, mezcló una forma común de plástico industrial con nanotubos de carbono para crear un material más resistente, fuerte e inteligente que los materiales convencionales comparables.
Los nanotubos también permiten que el plástico, que de otro modo no sería conductor, transporte una carga eléctrica en toda su estructura. Cuando la estructura se somete a cargas mecánicas, su resistencia eléctrica cambia. Este fenómeno, conocido como piezorresitividad, otorga al material la capacidad de "sentir" su salud estructural.
Mediante el uso de técnicas de impresión 3D avanzadas que brindan un alto nivel de control sobre el diseño de estructuras impresas, pudieron crear una serie de diseños intrincados con arquitectura porosa de mesoescala, lo que ayuda a reducir el peso total de cada diseño y maximizar el rendimiento mecánico.
Los diseños celulares del equipo son similares a los materiales porosos que se encuentran en el mundo natural, como colmenas, esponjas y huesos, que son livianos pero robustos.
Los investigadores creen que sus materiales celulares podrían encontrar nuevas aplicaciones en medicina, prótesis y diseño aeroespacial y de automóviles, donde se demandan materiales resistentes de baja densidad con la capacidad de sentido propio.
La investigación está disponible en línea como artículo preliminar en la revista Advanced Engineering Materials. .
En el artículo, los investigadores describen cómo investigaron las características de autodetección y absorción de energía de tres diseños diferentes de nanoingeniería que imprimieron utilizando su material personalizado, que está hecho de copolímero aleatorio de polipropileno y nanotubos de carbono de paredes múltiples.
De los tres diseños probados, encontraron que uno exhibía la combinación más efectiva de rendimiento mecánico y capacidad de autodetección:una "placa de celosía" en forma de cubo que incorporaba láminas planas apretadas.
La estructura reticular, cuando se somete a compresión monótona, muestra una capacidad de absorción de energía similar a las espumas de níquel de la misma densidad relativa. También superó a otros materiales convencionales de la misma densidad.
La investigación fue dirigida por el Dr. Shanmugam Kumar de la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow, junto con sus colegas, el Profesor Vikram Deshpande de la Universidad de Cambridge y el Profesor Brian Wardle del Instituto de Tecnología de Massachusetts.
El Dr. Kumar dijo:"La naturaleza tiene mucho que enseñar a los ingenieros sobre cómo equilibrar las propiedades y la estructura para crear materiales ligeros de alto rendimiento. Nos hemos inspirado en estas formas para desarrollar nuestros nuevos materiales celulares, que ofrecen ventajas únicas sobre los producidos convencionalmente. contrapartes y se pueden ajustar con precisión para manipular sus propiedades físicas.
"El copolímero aleatorio de polipropileno que elegimos ofrece una procesabilidad mejorada, una mejor resistencia a la temperatura, una mejor consistencia del producto y una mejor resistencia al impacto. Los nanotubos de carbono ayudan a que sea mecánicamente robusto al mismo tiempo que imparten conductividad eléctrica. Podemos elegir el grado de porosidad en el diseño y la arquitectura de la geometría porosa para mejorar las propiedades mecánicas específicas de la masa.
"Los materiales livianos, más resistentes y autosensibles como estos tienen un gran potencial para aplicaciones prácticas. Podrían ayudar a fabricar carrocerías de automóviles más livianas y eficientes, por ejemplo, o aparatos ortopédicos para personas con problemas como la escoliosis capaces de detectar cuándo sus cuerpos no están recibiendo un soporte óptimo. Incluso podrían usarse para crear nuevas formas de electrodos diseñados para baterías".
El artículo del equipo, titulado "Multifuncionalidad de las redes de autodetección de nanoingeniería habilitadas por la fabricación aditiva", se publica en Advanced Engineering Materials. . Los aparatos ortopédicos 'inteligentes' impresos en 3D podrían mejorar el tratamiento de la escoliosis
