Investigadores del MIT diseñan uno de los materiales más resistentes y ligeros

Publicado: 2017-01-07

Un equipo de investigadores del MIT ha diseñado uno de los materiales ligeros más resistentes que se conocen, comprimiendo y fusionando escamas de grafeno, una forma bidimensional de carbono. El nuevo material, una configuración similar a una esponja con una densidad de solo el 5 por ciento, puede tener una resistencia 10 veces mayor que la del acero.

Publicación relacionada: Investigadores espaciales franceses buscan voluntarios para permanecer en cama durante 60 días

En su forma bidimensional, se cree que el grafeno es el más fuerte de todos los materiales conocidos. Pero hasta ahora los investigadores han tenido dificultades para traducir esa fuerza bidimensional en materiales tridimensionales útiles.

Los nuevos hallazgos muestran que el aspecto crucial de las nuevas formas tridimensionales tiene más que ver con su configuración geométrica inusual que con el material en sí mismo, lo que sugiere que se podrían fabricar materiales fuertes y livianos similares a partir de una variedad de materiales creando formas geométricas similares. características.

PUBLICACIÓN RELACIONADA: MIT PRESENTA TECNOLOGÍA DISEÑADA PARA PERMITIR LA RV INALÁMBRICA

Los hallazgos se informan hoy en la revista Science Advances , en un artículo de Markus Buehler, jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) del MIT y profesor de ingeniería de McAfee; Zhao Qin, científico investigador de CEE; Gang Seob Jung, estudiante de posgrado; y Min Jeong Kang MEng '16, recién graduado.

Un equipo de ingenieros del MIT ha diseñado con éxito un nuevo material tridimensional con un cinco por ciento de la densidad del acero y diez veces más resistente, lo que lo convierte en uno de los materiales más resistentes y ligeros que se conocen.

Vídeo: Melanie Gonick/MIT

Otros grupos habían sugerido la posibilidad de tales estructuras livianas, pero los experimentos de laboratorio hasta ahora no habían coincidido con las predicciones, y algunos resultados mostraron varios órdenes de magnitud menos de fuerza de lo esperado. El equipo del MIT decidió resolver el misterio analizando el comportamiento del material hasta el nivel de los átomos individuales dentro de la estructura. Pudieron producir un marco matemático que se asemeja mucho a las observaciones experimentales.

Los materiales bidimensionales, básicamente láminas planas que tienen solo un átomo de espesor pero pueden ser indefinidamente grandes en las otras dimensiones, tienen una resistencia excepcional y propiedades eléctricas únicas. Pero debido a su extraordinaria delgadez, "no son muy útiles para fabricar materiales tridimensionales que podrían usarse en vehículos, edificios o dispositivos", dice Buehler. “Lo que hemos hecho es cumplir el deseo de traducir estos materiales 2-D en estructuras tridimensionales”.

El equipo pudo comprimir pequeños copos de grafeno usando una combinación de calor y presión. Este proceso produjo una estructura fuerte y estable cuya forma se asemeja a la de algunos corales y criaturas microscópicas llamadas diatomeas. Estas formas, que tienen una superficie enorme en proporción a su volumen, demostraron ser notablemente fuertes. “Una vez que creamos estas estructuras tridimensionales, queríamos ver cuál es el límite, cuál es el material más fuerte posible que podemos producir”, dice Qin. Para hacer eso, crearon una variedad de modelos 3-D y luego los sometieron a varias pruebas. En simulaciones computacionales, que imitan las condiciones de carga en las pruebas de tracción y compresión realizadas en una máquina de carga de tracción, "una de nuestras muestras tiene un 5 por ciento de la densidad del acero, pero 10 veces la resistencia", dice Qin.

LEA TAMBIÉN: NO SE DEJE ENGAÑAR POR ESTE ROBOT 'MECH' GIGANTE

Buehler dice que lo que sucede con su material de grafeno tridimensional, que se compone de superficies curvas bajo deformación, se parece a lo que sucedería con las hojas de papel. El papel tiene poca resistencia a lo largo y ancho, y se puede arrugar fácilmente. Pero cuando se fabrican en ciertas formas, por ejemplo, se enrollan en un tubo, de repente la fuerza a lo largo del tubo es mucho mayor y puede soportar un peso considerable. Del mismo modo, la disposición geométrica de las escamas de grafeno después del tratamiento forma naturalmente una configuración muy fuerte.

Las nuevas configuraciones se han realizado en el laboratorio utilizando una impresora 3D multimaterial de alta resolución. Se probaron mecánicamente sus propiedades de tracción y compresión, y se simuló su respuesta mecánica bajo carga utilizando los modelos teóricos del equipo. Los resultados de los experimentos y simulaciones coincidieron con precisión.

Los nuevos resultados, más precisos, basados en el modelado computacional atomístico del equipo del MIT, descartaron una posibilidad propuesta anteriormente por otros equipos: que podría ser posible hacer estructuras de grafeno tridimensionales tan livianas que en realidad serían más livianas que el aire. y podría usarse como un reemplazo duradero para el helio en globos. El trabajo actual muestra, sin embargo, que a densidades tan bajas, el material no tendría suficiente resistencia y colapsaría por la presión del aire circundante.

Pero muchas otras posibles aplicaciones del material podrían eventualmente ser factibles, dicen los investigadores, para usos que requieren una combinación de resistencia extrema y peso ligero. “Puedes usar el material de grafeno real o usar la geometría que descubrimos con otros materiales, como polímeros o metales”, dice Buehler, para obtener ventajas similares de resistencia combinadas con ventajas en costo, métodos de procesamiento u otras propiedades del material (como transparencia o conductividad eléctrica).

“Puede reemplazar el material en sí con cualquier cosa”, dice Buehler. “La geometría es el factor dominante. Es algo que tiene el potencial de transferirse a muchas cosas”.

Las formas geométricas inusuales que el grafeno forma naturalmente bajo el calor y la presión se parecen a una pelota Nerf: redonda, pero llena de agujeros. Estas formas, conocidas como giroides, son tan complejas que "hacerlas usando métodos de fabricación convencionales es probablemente imposible", dice Buehler. El equipo usó modelos impresos en 3D de la estructura, ampliados a miles de veces su tamaño natural, con fines de prueba.

Para la síntesis real, dicen los investigadores, una posibilidad es utilizar las partículas de polímero o metal como plantillas, recubrirlas con grafeno mediante un depósito de vapor químico antes de los tratamientos térmicos y de presión, y luego eliminar química o físicamente las fases de polímero o metal para dejar 3- D grafeno en forma giroide. Para esto, el modelo computacional dado en el estudio actual proporciona una guía para evaluar la calidad mecánica de la salida de síntesis.

La misma geometría podría incluso aplicarse a materiales estructurales a gran escala, sugieren. Por ejemplo, el concreto para una estructura como un puente podría fabricarse con esta geometría porosa, proporcionando una resistencia comparable con una fracción del peso. Este enfoque tendría el beneficio adicional de proporcionar un buen aislamiento debido a la gran cantidad de espacio aéreo cerrado dentro de él.