Metamateriales: varillas muy retorcidas almacenan grandes cantidades de energía
Los nuevos metamateriales mecánicos desarrollados en el KIT presentan una gran rigidez y una elevada densidad de energía elástica
Un equipo internacional de investigadores coordinado en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) ha desarrollado metamateriales mecánicos con una elevada densidad de energía elástica. Gracias a unas varillas muy retorcidas que se deforman en forma de espiral, tienen un alto grado de rigidez y pueden absorber y liberar grandes cantidades de energía elástica. Los investigadores confirmaron sus resultados teóricos iniciales con sencillos experimentos de presión. Sus hallazgos se publican en la revista científica Nature.
El modelo muestra la deformación en espiral del metamaterial. Gracias a este mecanismo, se puede almacenar una gran cantidad de energía sin que se produzcan fracturas.
IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT
Ya sean muelles para absorber energía, amortiguadores para almacenarla, pero también estructuras flexibles en robótica o en máquinas de bajo consumo: muchas tecnologías requieren almacenamiento mecánico de energía. La energía cinética, es decir, el trabajo mecánico correspondiente, se convierte en energía elástica de forma que pueda volver a liberarse por completo cuando sea necesario. El parámetro clave para ello es la entalpía, es decir, la densidad de energía que puede almacenarse y recuperarse en un elemento material. Peter Gumbsch, catedrático de Mecánica de Materiales del Instituto de Materiales Aplicados (IAM) del KIT, explica el reto de conseguir la mayor entalpía posible: "La dificultad radica en combinar propiedades contradictorias: alta rigidez y alta deformación recuperable con resistencia limitada."
Varillas deformadas en espiral se disponen hábilmente en metamateriales
Los materiales diseñados artificialmente que no se dan en la naturaleza, conocidos como metamateriales, permiten personalizar las propiedades efectivas de los materiales, ya que pueden construirse a partir de unidades definidas individualmente. Peter Gumbsch, que también dirige el Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM de Friburgo, ha logrado ahora desarrollar metamateriales mecánicos con una alta densidad de energía elástica recuperable en el marco de un equipo internacional de investigación de China y Estados Unidos. "Primero descubrimos un mecanismo que permite almacenar una gran cantidad de energía en una simple varilla redonda sin que se rompa o deforme permanentemente", explica Gumbsch. "Luego lo integramos en un metamaterial disponiendo hábilmente las varillas".
Los científicos describen el mecanismo utilizando la funcionalidad de un muelle de flexión clásico. Éste está limitado en su deformación máxima por el hecho de que en los lados superior e inferior se producen elevadas tensiones de tracción y compresión, que provocan la rotura o la deformación plástica permanente. En un muelle de flexión de este tipo, todo el volumen interior está sometido a una tensión mínima. En cambio, si se tuerce una varilla, toda la superficie también está sometida a grandes tensiones, pero el volumen interior sin carga es mucho menor. Sin embargo, para aprovechar realmente este mecanismo, la torsión debe ser tan grande que dé lugar a una compleja deformación en espiral.
La entalpía es de dos a 160 veces mayor que con otros metamateriales
Los investigadores han logrado integrar esas varillas cargadas por torsión y deformadas en espiral en un metamaterial que puede utilizarse macroscópicamente bajo cargas uniaxiales. Basándose en simulaciones, predijeron que el metamaterial tiene una gran rigidez y puede, por tanto, absorber grandes fuerzas. Además, tiene una entalpía entre dos y 160 veces superior a la de otros metamateriales. Lo confirmaron con sencillos experimentos de presión en varios metamateriales quirales, es decir, metamateriales con estructuras especulares.
"Nuestros novedosos metamateriales con alta capacidad de almacenamiento de energía elástica podrían utilizarse en el futuro en diversas áreas donde se requiera un almacenamiento eficiente de energía y unas propiedades mecánicas excepcionales", afirma Gumbsch. Además del almacenamiento de energía en muelles, también son concebibles la absorción o amortiguación de impactos, así como estructuras flexibles en robótica o en máquinas de bajo consumo. Las rotaciones que se producen en el interior de los metamateriales también podrían utilizarse en articulaciones puramente elásticas.
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