La nanoestructura de carbono es más fuerte que los diamantes
Los investigadores de la Universidad de California, Irvine y otras instituciones han diseñado arquitectónicamente placas de nanotecnología - estructuras de carbono de tamaño nanométrico - que son más fuertes que los diamantes en cuanto a la relación entre fuerza y densidad.
Con un espesor de pared de unos 160 nanómetros, una estructura de nanolattice de células cerradas, basada en placas, diseñada por investigadores de la UCI y de otras instituciones, es la primera verificación experimental de que tales arreglos alcanzan los límites teóricos de resistencia y rigidez en materiales porosos.
Cameron Crook and Jens Bauer / UCI
En un estudio reciente de Nature Communications, los científicos informan del éxito obtenido en la conceptualización y fabricación del material, que consiste en placas de células cerradas estrechamente conectadas, en lugar de los entramados cilíndricos comunes en esas estructuras en los últimos decenios.
"Los diseños anteriores basados en haces, aunque son de gran interés, no habían sido tan eficientes en términos de propiedades mecánicas", dijo el autor correspondiente Jens Bauer, un investigador de la UCI en ingeniería mecánica y aeroespacial. "Esta nueva clase de placas de nanotecnología que hemos creado es dramáticamente más fuerte y rígida que las mejores placas de nanotecnología de haz".
Según el documento, el diseño del equipo ha demostrado mejorar el rendimiento medio de las arquitecturas basadas en vigas cilíndricas hasta en un 639 por ciento en resistencia y un 522 por ciento en rigidez.
Los miembros del laboratorio de materiales arquitectónicos de Lorenzo Valdevit, profesor de la UCI de ciencia e ingeniería de materiales así como de ingeniería mecánica y aeroespacial, verificaron sus hallazgos utilizando un microscopio electrónico de barrido y otras tecnologías proporcionadas por el Instituto de Investigación de Materiales de Irvine.
"Los científicos han predicho que las nanolátides dispuestas en un diseño basado en placas serían increíblemente fuertes", dijo el autor principal Cameron Crook, un estudiante graduado de la UCI en ciencia e ingeniería de materiales. "Pero la dificultad de fabricar estructuras de esta manera significó que la teoría nunca fue probada, hasta que tuvimos éxito en hacerlo."
Bauer dijo que el logro del equipo se basa en un complejo proceso de impresión láser en 3D llamado escritura láser directa de polimerización de dos fotones. A medida que un láser se enfoca dentro de una gota de una resina líquida sensible a la luz ultravioleta, el material se convierte en un polímero sólido donde las moléculas son golpeadas simultáneamente por dos fotones. Escaneando el láser o moviendo el escenario en tres dimensiones, la técnica es capaz de hacer arreglos periódicos de las células, cada una de las cuales consiste en conjuntos de placas tan delgadas como 160 nanómetros.
Una de las innovaciones del grupo fue incluir diminutos agujeros en las placas que podían utilizarse para eliminar el exceso de resina del material terminado. Como paso final, las celdillas pasan por pirólisis, en la que se calientan a 900 grados centígrados en el vacío durante una hora. Según Bauer, el resultado final es una red en forma de cubo de carbono vidrioso que tiene la mayor resistencia que los científicos jamás pensaron que fuera posible para un material tan poroso.
Bauer dijo que otro objetivo y logro del estudio era explotar los efectos mecánicos innatos de las sustancias base. "Al tomar cualquier pieza de material y disminuir drásticamente su tamaño hasta 100 nanómetros, se aproxima a un cristal teórico sin poros ni grietas. Reducir estos defectos aumenta la fuerza general del sistema", dijo.
"Nadie ha hecho estas estructuras independientes de la escala antes", añadió Valdevit, que dirige el Instituto de Innovación en Diseño y Fabricación de la UCI. "Fuimos el primer grupo en validar experimentalmente que podían funcionar tan bien como se predijo, y al mismo tiempo demostrar un material arquitectónico de una resistencia mecánica sin precedentes".
Las nanotecnologías son muy prometedoras para los ingenieros estructurales, especialmente en el sector aeroespacial, porque se espera que su combinación de fuerza y baja densidad de masa mejore enormemente el rendimiento de las aeronaves y las naves espaciales.
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