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Cerámica que no se rompe
Las cerámicas son ligeras y duras, pero no se pueden hacer motores a reacción con ellas porque se romperían como platos. Entonces, los científicos de materiales han estado tratando de imitar materiales naturales que combinan fuerza (una medida de resistencia a la deformación) con tenacidad (una medida de resistencia a la fractura). En particular, han mirado al material poroso pero resistente llamado nácar que recubre las conchas de abulón. Ahora, los investigadores han desarrollado un método para fabricar materiales similares al nácar en el laboratorio. Estos nuevos materiales tienen propiedades mecánicas similares a las aleaciones metálicas y son las cerámicas más resistentes jamás fabricadas. El nuevo método podría abrir el camino hacia los materiales estructurales cerámicos para edificios energéticamente eficientes y marcos de automóviles ligeros pero resistentes.
Biomimetismo a granel: Los investigadores de Berkeley fabricaron grandes piezas de cerámica resistente, mientras que otros científicos que imitaban materiales naturales duros solo han podido hacer películas delgadas. La estructura de una cerámica resistente imita la de las conchas de abulón. Esta imagen de microscopio electrónico de barrido (abajo), tomada durante una prueba de esfuerzo, muestra una fuente de la tenacidad del material: el daño se distribuye ampliamente en pequeñas grietas contenidas.
El nácar, también conocido como nácar, combina placas de carbonato cálcico fuerte pero quebradizo con un pegamento proteico suave en una estructura de ladrillo y mortero que es 3.000 veces más resistente que cualquiera de los componentes. Por lo general, cuando los científicos fabrican compuestos en el laboratorio, las propiedades de los materiales resultantes superan en promedio a las de sus constituyentes. Cuando la naturaleza hace compuestos, las propiedades son mejores, dice Robert Ritchie , presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California, Berkeley, quien codirigió la investigación en cerámica. Eso se debe a que los compuestos de la naturaleza tienen estructuras complejas que son difíciles de imitar. La gente lo ha intentado, pero no puede conseguir esa estructura fina, dice Ritchie.
Durante años, los científicos han intentado diseñar nuevos materiales basados en materiales naturales resistentes como el nácar y el hueso. La cerámica de Berkeley realmente muestra que inspirarnos en la naturaleza para sintetizar mejores materiales puede tener mucho éxito, dice Julia Greer , científico de materiales en CalTech.
Para dar forma a sus cerámicas en estructuras similares al nácar, los investigadores de Berkeley primero crean una suspensión de agua del material que se va a modelar, en este caso, óxido de aluminio. Luego lo enfrían de una manera muy controlada. Sacas el calor por un extremo, explica Ritchie. Esto conduce a estructuras largas y delgadas que los investigadores presionan en estructuras a microescala, parecidas a ladrillos, después de calentarlas para evaporar el agua. Cuando se repite este proceso, se crea una estructura porosa en capas de ladrillos de óxido de aluminio conectados entre sí mediante estructuras en forma de columna, las mismas formas que se encuentran en el nácar natural. Luego, para imitar el pegamento de proteína en la concha de abulón, los investigadores llenan los espacios con un polímero. Este proceso se describe en línea en la revista. Ciencias esta semana. Otros grupos han fabricado películas delgadas de materiales biomiméticos; el grupo de Berkeley ha logrado realizar grandes piezas.
Sin amortiguar por el polímero, los ladrillos serían frágiles como la mayoría de las cerámicas. Pero el polímero permite que las capas parecidas a ladrillos se deslicen unas sobre otras cuando se someten a tensión, lo que hace que el material sea resistente a las fracturas. De hecho, esta estructura de ladrillo y mortero es más resistente que cualquier cerámica jamás fabricada en el laboratorio. La alta tenacidad y la alta resistencia suelen ser incompatibles en una cerámica, dice Eric Stach , ingeniero de materiales de la Universidad Purdue que no participó en el trabajo de Berkeley. Pero la cerámica creada en Berkeley tiene tanta fuerza y dureza como las aleaciones de aluminio, con las que puedes volar aviones, dice Stach.
Aunque advierten que las cerámicas similares al nácar se encuentran en sus primeras etapas de desarrollo, los investigadores de Berkeley dicen que los materiales deberían hacer posibles aplicaciones de cerámicas que parecían inalcanzables. Podría usar cerámica para hacer el armazón de un automóvil en lugar de acero y ahorrar combustible, dice Ritchie. Antoni Tomsia, científico de materiales del Laboratorio Lawrence Berkeley que codirigió la investigación, dice que las cerámicas resistentes, que son buenos aislantes, podrían cumplir una doble función como elementos estructurales en edificios energéticamente eficientes. Y también podrían usarse en chalecos antibalas livianos y armaduras de vehículos para el ejército.
El nuevo trabajo, dicen los científicos de materiales, muestra el camino a seguir para los materiales biomiméticos resistentes. Paul Hansma , profesor de física en la Universidad de California en Santa Bárbara, califica el trabajo de asombroso y dice que el desempeño de la nueva cerámica eleva el listón en este importante campo.
Ritchie y Tomsia confían en que pueden mejorar aún más el material. El nácar natural tiene estructuras cerámicas un orden de magnitud más pequeñas que las del material Berkeley, así como una mayor proporción de ladrillo a mortero. Ritchie dice que el grupo está trabajando para hacer que los ladrillos de cerámica sean más pequeños y estén más juntos, y para disminuir el contenido de polímero. También están experimentando con diferentes morteros. Debido a que la cerámica recién desarrollada contiene un polímero pegajoso, fallaría en ambientes de alta temperatura como el interior de un motor. Entonces, los investigadores de Berkeley están experimentando con rellenos de metal, que pueden soportar temperaturas más altas.