Nuevos materiales: crean una ‘madera metálica’ con la fuerza del titanio y con la ligereza del agua
La investigación en nuevos materiales que aunen resistencia y ligereza ha deparado una ‘madera metálica’, con la fuerza del titanio y con la densidad del agua.
Científicos de las universidades de Pensilvania, Illinois y Cambridge han construido una lámina de níquel con poros a nanoescala que la hacen tan fuerte como el titanio, pero de cuatro a cinco veces más liviana.
El espacio vacío de los poros, y el proceso de autoensamblaje en el que están hechos, hacen que el metal poroso sea similar a un material natural, como la madera.
Y así como la porosidad de los granos de madera cumple la función biológica de transportar energía, el espacio vacío en la “madera metálica” de los investigadores podría infundirse con otros materiales. Infundir los andamios con ánodo y materiales de cátodo permitiría a esta madera metálica realizar una doble tarea: un ala plana o una pierna protésica que también es una batería.
Incluso los mejores metales naturales tienen defectos en su disposición atómica que limitan su fuerza. Un bloque de titanio donde cada átomo estuviera perfectamente alineado con sus vecinos sería diez veces más fuerte de lo que se puede producir actualmente. Los investigadores de materiales han estado tratando de explotar este fenómeno mediante un enfoque arquitectónico, diseñando estructuras con el control geométrico necesario para desbloquear las propiedades mecánicas que surgen en la nanoescala, donde los defectos han reducido el impacto.
James Pikul, profesor de Ingneiería Mecánica en la Universidad de Illinois y sus colegas deben su éxito a seguir el ejemplo del mundo natural. “La razón por la que lo llamamos madera metálica no es solo su densidad, que tiene que ver con la madera, sino su naturaleza celular”, dice Pikul en un comunicado. “Los materiales celulares son porosos; si observan el grano de madera, ¿eso es lo que están viendo? – partes que son gruesas y densas y están hechas para sostener la estructura, y partes que son porosas y están hechas para soportar funciones biológicas, como el transporte a y desde las células”.
“Nuestra estructura es similar”, dice. “Tenemos áreas que son gruesas y densas con puntales de metal fuertes y áreas que son porosas con huecos de aire. Simplemente estamos operando en las escalas de longitud donde la fuerza de los puntales se acerca al máximo teórico”.
Los puntales en la madera metálica de los investigadores miden alrededor de 10 nanómetros de ancho, o alrededor de 100 átomos de níquel. Otros enfoques implican el uso de técnicas similares a la impresión en 3D para hacer andamios a nanoescala con una precisión de cien nanómetros, pero el proceso lento y minucioso lo hace difícil de escalar a tamaños útiles.
Sabemos que hacerte más pequeño te hace más fuerte por algún tiempo –dice Pikul– pero la gente no ha podido hacer estas estructuras con materiales fuertes que sean lo suficientemente grandes como para que puedas hacer algo útil. La mayoría de los ejemplos hechos con materiales fuertes han sido del tamaño de una pulga pequeña, pero con nuestro enfoque, podemos hacer muestras de madera metálica que son 400 veces más grandes.
El método de Pikul comienza con pequeñas esferas de plástico, de unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, suspendidas en agua. Cuando el agua se evapora lentamente, las esferas se asientan y se apilan como balas de cañón, lo que proporciona un marco ordenado y cristalino. Usando la galvanoplastia, la misma técnica que agrega una capa delgada de cromo a un tapón de cubo, los investigadores luego se infiltran en las esferas de plástico con níquel. Una vez que el níquel está en su lugar, las esferas de plástico se disuelven con un disolvente, dejando una red abierta de puntales metálicos.
Debido a que aproximadamente el 70 por ciento del material resultante es espacio vacío, la densidad de esta madera metálica a base de níquel es extremadamente baja en relación con su resistencia. Con una densidad a la par con el agua, un ladrillo de este material flotaría.
Replicar este proceso de producción en tamaños comercialmente relevantes es el próximo desafío del equipo. A diferencia del titanio, ninguno de los materiales involucrados es particularmente raro o costoso por sí solo, pero la infraestructura necesaria para trabajar con ellos en la nanoescala es actualmente limitada. Una vez que se desarrolle esa infraestructura, las economías de escala deberían hacer que la producción de cantidades significativas de madera metálica sea más rápida y menos costosa.
Fuente: EP
