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Materiales resistentes, ligeros y elásticos
Los investigadores han dispersado diminutas plaquetas de óxido de aluminio en un polímero para hacer un material resistente, elástico y liviano. El material podría dar lugar a implantes óseos y dentales más duraderos y a piezas de automóviles y aviones más ligeras y con menor consumo de combustible. También se puede utilizar para fabricar componentes electrónicos transparentes y flexibles.
Copiando la naturaleza: Una sección transversal de nácar, o nácar, muestra plaquetas de carbonato de calcio dispuestas en capas separadas por un biopolímero (arriba). Los investigadores han imitado la estructura del nácar mediante la dispersión de plaquetas de óxido de aluminio en el biopolímero quitosano (parte inferior), que produce un nanocompuesto que es fuerte, elástico y ligero.
En sus esfuerzos por crear materiales fuertes pero ligeros, los químicos y los científicos de materiales han intentado durante mucho tiempo imitar las nanoestructuras que se encuentran en la naturaleza. Las cáscaras, los huesos y el esmalte de los dientes consisten en plaquetas de cerámica rígidas dispuestas en una matriz de polímero como ladrillos de mortero. Estos materiales híbridos combinan la resistencia de la cerámica y la capacidad de estiramiento de los polímeros.
En 2007, investigadores de la Universidad de Michigan diseñaron polímeros reforzados con arcilla que eran extremadamente fuertes pero quebradizos: se necesita mucha energía para deformarlos, pero cuando se deforman, se rompen abruptamente. Los investigadores del MIT lograron fabricar compuestos de arcilla-polímero rígidos pero menos frágiles, que tolerarán un poco de estiramiento antes de romperse. (Consulte Materiales nanotecnológicos ultrarresistentes).
Ludwig Gauckler , el profesor de materiales del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich, en Suiza, que dirigió el nuevo trabajo, dice que la composición de su grupo es aún mejor. Es cinco veces más resistente que el material fabricado en el MIT, dice, pero sigue siendo elástico. Una película del compuesto ya es tan fuerte como el papel de aluminio, dice Gauckler, pero si se estira, puede expandirse hasta en un 25 por ciento de su tamaño; el papel de aluminio se rompería al 2 por ciento.
Una ventaja adicional del material híbrido es que es liviano, dice el científico de materiales de Harvard Andre Studart, quien participó en el trabajo. El material pesa entre la mitad y la cuarta parte del acero de la misma resistencia, dice Studart, y sería un buen sustituto de la fibra de vidrio, que se usa comúnmente en las piezas de automóviles. Debido a que la resistencia del material proviene de las plaquetas que se difunden a través de él, dice Studart, será fuerte en dos direcciones y no solo en una dirección, como en el caso del material reforzado con fibra.
Además, si bien el material ahora es translúcido, su estructura podría modificarse para hacerlo transparente, haciéndolo adecuado para material dental y circuitos electrónicos transparentes.
Para ensamblar su material, los investigadores dispersan plaquetas de óxido de aluminio en etanol y esparcen la mezcla sobre agua. Las plaquetas se organizan en una sola capa sobre la superficie del agua. Luego, los investigadores sumergen una placa de vidrio en la solución, transfiriendo las plaquetas al vidrio. Finalmente, depositan una capa del polímero quitosano biocompatible encima de las plaquetas. Los investigadores repiten este proceso hasta que el grosor del compuesto final es de unas pocas decenas de micrómetros, y luego despegan el material de la placa de vidrio con una cuchilla de afeitar.
Al diseñar el material, los investigadores estudiaron cuidadosamente la estructura mecánica del nácar, la capa brillante en el interior de las conchas marinas, y trataron de mejorarla. El nácar tiene plaquetas hechas de carbonato de calcio dispuestas en capas dentro de un polímero a base de proteínas. Hay algo muy especial en el tamaño de estas plaquetas, dice Studart. El nácar utiliza una longitud y un grosor de plaquetas específicos para lograr la alta resistencia y [capacidad de estiramiento] que se ven en los metales.
La relación entre la longitud y el grosor de las plaquetas tiene que ser la correcta, dice Studart. Si es demasiado alto, las plaquetas se rompen cuando se estira el material. Si es demasiado bajo, el material no es muy rígido.
Los investigadores optaron por trabajar con plaquetas de óxido de aluminio, que son cinco veces más fuertes que las plaquetas de carbonato de calcio que se encuentran en el nácar. También hicieron que sus plaquetas fueran más delgadas (alrededor de 200 nanómetros de diámetro, a diferencia de los 500 a 1000 nanómetros de las plaquetas naturales) para reducir la probabilidad de fallas en su estructura. La mejor relación promedio de longitud a espesor, calcularon los investigadores, es 40, por lo que hicieron que las plaquetas tuvieran una longitud de 5 a 10 micrómetros. Las plaquetas más fuertes nos permiten usar una proporción más alta y, por lo tanto, lograr una mayor fuerza, en comparación con las conchas, con una menor concentración de plaquetas, dice Studart. Las concentraciones bajas son importantes, dice, porque eso significa que el compuesto tiene más polímero y tiene mucha [capacidad de estiramiento].
Esto es lo más cerca que alguien ha estado de duplicar la estructura mecánica y el comportamiento de un material natural, dice Francois Barthelat , profesor de ingeniería mecánica e investigador de materiales biomiméticos en la Universidad McGill, en Montreal, Quebec. Pero antes de que se pueda usar el material, dice, los investigadores tendrán que desarrollar una forma más rápida de producirlo en grandes cantidades.
Profesor de química de la Universidad de Princeton Ilhan Aksay opina que la técnica debería ser fácil de modificar para que sea adecuada para la fabricación a granel. Podrías hacer formas grandes con esta técnica, dice. Imagina que el material podría ser útil para implantes óseos y dentales.
Gauckler dice que el material necesita muchas mejoras antes de que pueda usarse en la práctica. Un mejor polímero haría que el compuesto fuera más resistente. Los investigadores también necesitan encontrar una manera de lograr una mejor unión entre el óxido de aluminio y el polímero. Por ahora, dice Gauckler, hemos demostrado que podemos [acercarnos a] hacer un trabajo tan bueno como la naturaleza.