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Un nuevo material superresistente y ligero
Un nuevo tipo de material, compuesto de puntales a nanoescala entrecruzados como los puntales de una pequeña Torre Eiffel, es una de las sustancias más fuertes y livianas jamás fabricadas.
cerchas diminutas Arriba: Una imagen de microscopio electrónico de barrido del nuevo material revela sus nano-redes cerámicas.
Si los investigadores pueden descubrir cómo hacer el material en grandes cantidades, podría usarse como material estructural para fabricar aviones y camiones, así como en electrodos de batería.
Investigadores dirigidos por el científico de materiales de Caltech Julia Greer descubrió que al diseñar cuidadosamente puntales y juntas a nanoescala, podían fabricar cerámica, metales y otros materiales que pueden recuperarse después de ser aplastados, como una esponja. Los materiales son lo suficientemente fuertes y ligeros para flotar en el aire como una pluma. El trabajo se publica hoy en la revista Ciencias .
En los materiales convencionales, la resistencia, el peso y la densidad están correlacionados. La cerámica, por ejemplo, es fuerte pero también pesada, por lo que no se puede usar como material estructural donde el peso es crítico, por ejemplo, en las carrocerías de los automóviles. Y cuando la cerámica falla, tiende a fallar catastróficamente, haciéndose añicos como el cristal.
Pero a nanoescala no se aplican las mismas reglas. En este rango de tamaño, las propiedades estructurales y mecánicas de la cerámica se vuelven menos ligadas a propiedades como el peso y pueden modificarse con mayor precisión.
Para la cerámica, más pequeño es más resistente, dice Greer, quien fue nombrada una de Revisión de tecnología del MIT 's 35 Innovators Under 35 en 2008 por su trabajo en mecánica a nanoescala. Esto significa que los trusses a nanoescala hechos de materiales cerámicos pueden ser muy ligeros (lo que no sorprende, ya que en su mayoría son de aire) y extremadamente fuertes.
En 2011, los investigadores de Laboratorios HRL , una empresa privada de investigación de ingeniería, creó uno de los materiales más ligeros jamás fabricados, una microred de tubos metálicos huecos. Greer trabajó con la empresa para caracterizar el material y luego decidió asumir el desafío mayor de fabricar cerámicas con propiedades similares. Esto requirió estructuras de ajuste fino a nanoescala, lo que significa que los materiales son aún más difíciles de producir.
Para hacer las nanoestructuras de cerámica, el laboratorio de Greer utiliza una técnica llamada litografía de interferencia de dos fotones. Es similar a una impresora láser 3D de muy bajo rendimiento.
Primero usan este método para crear la estructura deseada, una red, a partir de un polímero. A continuación, la red de polímero se recubre con una cerámica como la alúmina. El plasma de oxígeno graba el polímero, dejando una red de tubos de cerámica huecos.
El laboratorio de Greer demostró que al cambiar el grosor de las paredes del tubo, es posible controlar cómo falla el material. Cuando las paredes son gruesas, la cerámica se rompe bajo presión como se esperaba. Pero las armaduras con paredes más delgadas, de solo 10 nanómetros de espesor, se pandean cuando se comprimen y luego recuperan su forma.
No espera que estos materiales se recuperen, espera que sean frágiles y se rompan, dice Christopher Spadaccini , un ingeniero que se especializa en la fabricación de materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía de EE. UU. en California.
Los nuevos materiales podrían ser particularmente interesantes para su uso en baterías, notas Nicolás Colmillo , ingeniero mecánico del MIT que también trabaja en cerámica nanoestructurada. Las nanoestructuras tienen un área de superficie muy alta y son livianas, una combinación que podría dar lugar a una batería de carga rápida que almacena mucha energía en un paquete conveniente. De hecho, Greer dice que está colaborando con la empresa electrónica alemana. el bosco para aplicar sus diseños a las baterías de litio-aire.