De manera similar a los tallos de hierba, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han creado tubos en tubos conectados a nanostruts que permiten materiales estructurales más fuertes de baja densidad.

Los materiales porosos con diseños de celosía dominados por el estiramiento, que ofrecen atractivas propiedades mecánicas con un peso ultraligero y una gran superficie para una amplia gama de aplicaciones, han logrado recientemente una escala lineal casi ideal entre rigidez y densidad.

En la nueva investigación, el equipo desarrolló un proceso para transformar vigas poliméricas impresas en 3D totalmente densas en estructuras sándwich de tubo en tubo hueco de carbono grafítico, donde, de forma similar a los tallos de hierba, los tubos interior y exterior están conectados a través de una red de puntales La investigación está en la portada de la edición del 25 de octubre de Nature Materials .

Las pruebas de compresión y el modelado computacional muestran que este cambio en la morfología de la viga ralentiza drásticamente la disminución de la rigidez con la disminución de la densidad. Los experimentos de compresión demostraron además una gran recuperación de la deformación después de una compresión del 30 al 50 por ciento, lo que conduce a propiedades de disipación de energía gravimétrica altas.

Los materiales porosos de densidad ultrabaja tienen muchas aplicaciones emergentes, como amortiguadores mecánicos, aislamiento térmico y acústico, andamios flexibles de baterías y catalizadores, dispositivos MEMS y como materiales objetivo para experimentos de física de alta densidad de energía.

"Algunas de estas aplicaciones se beneficiarán de la reducción de la densidad del material de carbono inactivo y, al mismo tiempo, proporcionarán un área de superficie específica alta combinada con una gran rigidez y propiedades de recuperación de la forma", dijo el científico de materiales del LLNL Jianchao Ye, coautor principal del artículo. "Piense en baterías o catalizadores:la estructura única de tubo en tubo combina excelentes propiedades mecánicas con baja densidad y proporciona una gran área de superficie para el almacenamiento de energía o catalizadores con vías de transporte de masa fáciles".

También se encuentran en la naturaleza diseños de paneles sándwich similares con puntales de carga integrados, donde el peso ligero y las buenas propiedades mecánicas son importantes. Los ejemplos incluyen los cráneos de varias especies, tallos de plantas y huesos de aves. Si bien la nueva estructura de carbono de tubo en tubo (STinT) se asemeja a la arquitectura de cráneos de animales y tallos de plantas, su escala de longitud característica es mucho más pequeña.

Para superar el desafío de degradar rápidamente las propiedades mecánicas con una densidad decreciente, el equipo desarrolló el diseño STinT rígido. Específicamente, fabricaron microredes a base de carbono con morfología de haz STinT integrado a través de un proceso de pirólisis de plantilla catalizado con níquel de dos pasos. Este proceso de fabricación mantiene la estructura y las dimensiones de la plantilla de polímero de sacrificio tal como se imprimió para generar redes de carbono notablemente rígidas con densidades tan bajas como 6,4 mg/cm3.

"Atribuimos la rigidez de nuestras redes de carbono de baja densidad al diseño integrado de vigas de tubo en tubo con puntales a nanoescala que permite construir bloques de construcción de celosía ligeros pero rígidos, un concepto de diseño que se puede aplicar ortogonalmente a los esfuerzos actuales de optimización de la topología de red", dijo El científico de materiales del LLNL, Juergen Biener, coautor del artículo. + Explora más

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