Pero los materiales compuestos tienen una vulnerabilidad principal:el espacio entre las capas, que normalmente se rellena con "pegamento" polimérico para unir las capas. En caso de impacto o golpe, las grietas pueden extenderse fácilmente entre las capas y debilitar el material, aunque no haya daños visibles en las capas mismas. Con el tiempo, a medida que estas grietas ocultas se extienden entre las capas, el compuesto podría desmoronarse repentinamente sin previo aviso.

Ahora, los ingenieros del MIT han demostrado que pueden evitar que las grietas se propaguen entre las capas compuestas, utilizando un enfoque que desarrollaron llamado "nano costura", en el que depositan bosques microscópicos de nanotubos de carbono cultivados químicamente entre las capas compuestas. Las fibras diminutas y densamente empaquetadas sujetan y mantienen unidas las capas, como un velcro ultrafuerte, evitando que las capas se despeguen o se rompan.

En experimentos con un compuesto avanzado conocido como laminado de fibra de carbono de capa fina, el equipo demostró que las capas unidas con nanocosturas mejoraban la resistencia del material a las grietas hasta en un 60 por ciento en comparación con los compuestos con polímeros convencionales. Los investigadores afirman que los resultados ayudan a abordar la principal vulnerabilidad de los compuestos avanzados.

"Al igual que la masa filo se desmenuza, las capas compuestas pueden desprenderse porque esta región interlaminar es el talón de Aquiles de los compuestos", dice Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Estamos demostrando que las nanocosturas hacen que esta región normalmente débil sea tan fuerte y resistente que no se formará una grieta allí. Por lo tanto, podríamos esperar que la próxima generación de aviones tenga compuestos unidos con este nano-velcro para hacer que los aviones sean más seguros y tener mayor longevidad."

Wardle y sus colegas han publicado sus resultados en la revista ACS Applied Materials &Interfaces. . El primer autor del estudio es la ex estudiante de posgrado visitante del MIT y posdoctorada Carolina Furtado, junto con Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen y Pedro Camanho.

Crecimiento forestal

En el MIT, Wardle es director de Nestled (pronunciado "próximo laboratorio"), donde él y su grupo desarrollaron por primera vez el concepto de nano costura. El enfoque implica "hacer crecer" un bosque de nanotubos de carbono alineados verticalmente:fibras huecas de carbono, cada una de las cuales es tan pequeña que decenas de miles de millones de nanotubos pueden permanecer en un área más pequeña que una uña.

Para hacer crecer los nanotubos, el equipo utilizó un proceso de deposición química de vapor para reaccionar con varios catalizadores en un horno, haciendo que el carbono se depositara en una superficie como soportes diminutos similares a pelos. Los soportes finalmente se retiran, dejando atrás un bosque denso de rollos microscópicos y verticales de carbono.

El laboratorio ha demostrado previamente que los bosques de nanotubos se pueden cultivar y adherir a capas de material compuesto y que este compuesto reforzado con fibra mejora la resistencia general del material. Los investigadores también habían visto algunos signos de que las fibras podrían mejorar la resistencia de un compuesto a las grietas entre capas.

En su nuevo estudio, los ingenieros analizaron más en profundidad la región entre capas en los compuestos para probar y cuantificar cómo las nano costuras mejorarían la resistencia de la región a las grietas. En particular, el estudio se centró en un material compuesto avanzado conocido como laminados de fibra de carbono de capa fina.

"Esta es una tecnología compuesta emergente, donde cada capa, o capa, tiene aproximadamente 50 micrones de espesor, en comparación con las capas compuestas estándar que son de 150 micrones, que es aproximadamente el diámetro de un cabello humano. Hay evidencia que sugiere que son mejores que las estándar -compuestos de espesor y queríamos ver si podría haber sinergia entre nuestra nano costura y esta tecnología de capas delgadas, ya que podría conducir a aviones más resistentes, estructuras aeroespaciales de alto valor y vehículos espaciales y militares", dice Wardle. /P>

Agarre con velcro

Los experimentos del estudio fueron dirigidos por Carolina Furtado, quien se unió al esfuerzo como parte del programa MIT-Portugal en 2016, continuó el proyecto como postdoctorado y ahora es profesora en la Universidad de Oporto en Portugal, donde su investigación se centra en el modelado. Grietas y daños en composites avanzados.

En sus pruebas, Furtado utilizó las técnicas del grupo de deposición química de vapor para hacer crecer bosques densos de nanotubos de carbono alineados verticalmente. También fabricó muestras de laminados de fibra de carbono de capas finas. El compuesto avanzado resultante tenía aproximadamente 3 milímetros de espesor y constaba de 60 capas, cada una hecha de fibras horizontales rígidas incrustadas en una lámina de polímero.

Transfirió y adhirió el bosque de nanotubos entre las dos capas intermedias del compuesto y luego cocinó el material en un autoclave para curarlo. Para probar la resistencia a las grietas, los investigadores colocaron una grieta en el borde del compuesto, justo al comienzo de la región entre las dos capas intermedias.

"En las pruebas de fractura, siempre comenzamos con una grieta porque queremos comprobar si se extenderá y hasta qué punto", explica Furtado.

Luego, los investigadores colocaron muestras del compuesto reforzado con nanotubos en una configuración experimental para probar su resistencia a la "delaminación", o la posibilidad de que las capas se separen.

"Hay muchas maneras en que se pueden obtener precursores de la delaminación, como por impactos, como la caída de herramientas, el impacto de pájaros, el levantamiento de la pista en un avión, y casi no hay daños visibles, pero internamente tiene una delaminación", dice Wardle. "Al igual que un ser humano, si tienes una pequeña fractura en un hueso, no es bueno. El hecho de que no puedas verlo no significa que no te esté impactando. Y el daño en los compuestos es difícil de inspeccionar". /P>

Para examinar el potencial de las nanocosturas para prevenir la delaminación, el equipo colocó sus muestras en una configuración para probar tres modos de delaminación, en los que una grieta podría extenderse a través de la región entre capas y despegar las capas o hacer que se deslicen entre sí o combinación de ambos. Estos tres modos son las formas más comunes en las que los composites convencionales pueden descascararse y desmoronarse internamente.

Las pruebas, en las que los investigadores midieron con precisión la fuerza necesaria para pelar o cortar las capas del compuesto, revelaron que el nano cosido se mantuvo firme y la grieta inicial que hicieron los investigadores no pudo extenderse más entre las capas. Las muestras nano cosidas eran hasta un 62 por ciento más duras y resistentes a las grietas, en comparación con el mismo material compuesto avanzado que se mantenía unido con polímeros convencionales.

"Se trata de una nueva tecnología compuesta, impulsada por nuestros nanotubos", afirma Wardle.

"Los autores han demostrado que las capas delgadas y las nanocosturas juntas han logrado un aumento significativo en la dureza", dice Stephen Tsai, profesor emérito de aeronáutica y astronáutica en la Universidad de Stanford. "Los compuestos se degradan por su débil resistencia interlaminar. Cualquier mejora mostrada en este trabajo aumentará el diseño permitido y reducirá el peso y el costo de la tecnología de compuestos".

Los investigadores imaginan que cualquier vehículo o estructura que incorpore compuestos convencionales podría hacerse más liviano, más resistente y más resistente con nano costuras.

"Se podría tener un refuerzo selectivo de áreas problemáticas, para reforzar agujeros o uniones atornilladas, o lugares donde podría ocurrir delaminación", dice Furtado. "Esto abre una gran ventana de oportunidades."