Publicado 03/03/2020 13:33CET

Microestructuras autoensambladas en nuevos materiales

Aspecto del nuevo material con microestructuras autoensambladas
Aspecto del nuevo material con microestructuras autoensambladas - CALTECH

   MADRID, 3 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Un equipo de ingenieros de Caltech y ETH Zurich ha desarrollado un material diseñado a nanoescala pero que se ensambla por sí mismo, sin necesidad de un ensamblaje láser de precisión.

   Por primera vez, pudieron crear una muestra de material nanoarquitecturado a escala de centímetro cúbico.

   Logro pionero de la científica de materiales de Caltech Julia R. Greer, los "materiales nanoarquitecturados" exhiben propiedades inusuales, a menudo sorprendentes, por ejemplo, cerámicas excepcionalmente livianas que vuelven a su forma original, como una esponja, después de ser comprimidas.

   Estas propiedades podrían ser deseables para aplicaciones que van desde sensores táctiles ultrasensibles hasta baterías avanzadas, pero hasta ahora, los ingenieros solo han podido crearlas en cantidades muy limitadas. Para crear un material cuya estructura está diseñada a una escala tan pequeña, a menudo tienen que ensamblar nanocapa por nanocapa en un proceso de impresión 3D que utiliza un láser de alta precisión y productos químicos sintetizados a medida. Ese proceso minucioso limita la cantidad total de material que se puede construir.

   Pero el nuevo estudio simplifica el proceso. "No pudimos imprimir en 3-D este material nanoarquitecturado ni siquiera en un mes; en cambio, podemos cultivarlo en cuestión de horas", dice Carlos Portela, académico postdoctoral en Caltech y autor principal de un estudio sobre el nuevo proceso que fue publicado por la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) el 2 de marzo.

   A escala nanométrica, el material parece una esponja, pero en realidad es un conjunto de cáscaras curvas interconectadas. Esa es la clave para la alta rigidez y la relación resistencia / peso del material: las cáscaras delgadas y curvadas, como las de un huevo, no tienen esquinas ni uniones, que generalmente son puntos débiles que conducen a fallas en otros materiales similares. Esto proporciona beneficios mecánicos únicos con un mínimo de material realmente utilizado.

   En las pruebas, una muestra del material pudo lograr relaciones de resistencia a la densidad comparables a algunas formas de acero, mientras que las configuraciones de paredes más delgadas exhiben daños y recuperación insignificantes después de la compresión repetida.

   "Esta nueva ruta de fabricación, respaldada por el análisis experimental y numérico que hemos realizado, nos acerca un paso más a la capacidad de producir materiales nanoarquitecturados a una escala útil, con una marcada facilidad de fabricación", dice Greer, profesora de Ciencia de Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica y coautora del artículo de PNAS, en un comunicado.

   Aunque es mediblemente más resistente que prácticamente todos los materiales nanoarquitecturados con densidades similares sintetizadas por el grupo Greer, lo que hace que estos llamados materiales nano-laberínticos sean particularmente especiales es que se ensamblan ellos mismos.

   Este logro, dirigido por el estudiante de posgrado de Caltech Daryl Yee, funciona así: dos materiales que no se disuelven entre sí se mezclan, mezclándolos para crear un estado desordenado. El calentamiento de la mezcla polimeriza los materiales para que la geometría actual se bloquee en su lugar. Luego se retira uno de los dos materiales, dejando cñascara a nanoescala. La plantilla porosa resultante se recubre posteriormente, y luego se retira el segundo polímero. Lo que queda es una red ligera de nano-cáscara.

   El proceso requiere extrema precisión; si se calienta incorrectamente, la microestructura se derretirá o colapsará y no conducirá a capas interconectadas. Pero por primera vez, el equipo ve el potencial para ampliar la nanoarquitectura.