Estructuras de carbono del tamaño de un nanómetro, dispuestas en redes de placas, han sido diseñadas arquitectónicamente de forma que son más fuertes que los diamantes como una relación de resistencia a densidad, un logro de utilidad en el diseño aeropesacial.

En un estudio reciente en Nature Communications, los científicos informan de éxito en la conceptualización y fabricación del material, que consiste en placas de células cerradas estrechamente conectadas en lugar de las armaduras cilíndricas comunes en tales estructuras en las últimas décadas.

“Los diseños anteriores basados ​​en vigas, aunque de gran interés, no habían sido tan eficientes en términos de propiedades mecánicas”, dijo el autor correspondiente Jens Bauer, investigador de la Universidad de California Irvine en ingeniería mecánica y aeroespacial. “Esta nueva clase de nano-redes de placas que hemos creado es drásticamente más fuerte y más rígida que las mejores redes de nano-vigas”.

Según el estudio, publicado en Nature Communications, se ha demostrado que el diseño del equipo mejora el rendimiento promedio de las arquitecturas cilíndricas basadas en vigas en hasta un 639 por ciento en resistencia y un 522 por ciento en rigidez.

Los miembros del laboratorio de materiales de arquitectura de Lorenzo Valdevit, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Irvine, 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 la universidad.

“Los científicos han pronosticado que las nano redes dispuestas en un diseño basado en placas serían increíblemente fuertes”, dijo en un comunicado el autor principal Cameron Crook, un estudiante graduado en ciencia e ingeniería de materiales. “Pero la dificultad en la fabricación de estructuras de esta manera significaba que la teoría nunca fue probada, hasta que lo logramos”.

Bauer dijo que el logro del equipo se basa en un complejo proceso de impresión láser en 3-D llamado escritura láser directa de litografía de dos fotones. A medida que se agrega capa por capa una resina sensible a la luz ultravioleta, el material se convierte en un polímero sólido en los puntos donde se encuentran dos fotones. La técnica es capaz de representar células repetitivas que se convierten en placas con caras tan delgadas como 160 nanómetros.

Bauer dijo que el logro del equipo se basa en un complejo proceso de impresión láser tridimensional llamado escritura láser directa de polimerización de dos fotones. Cuando 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. Al escanear el láser o mover el escenario en tres dimensiones, la técnica puede generar disposiciones periódicas 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 pequeños agujeros en las placas que podrían usarse para eliminar el exceso de resina del material terminado. Como paso final, las celosías pasan por pirólisis, en la que se calientan a 900 grados Celsius en el vacío durante una hora. Según Bauer, el resultado final es una celosía de carbono vítreo en forma de cubo que tiene la mayor resistencia que los científicos jamás hayan creído 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 a 100 nanómetros, se acerca a un cristal teórico sin poros ni grietas. La reducción de estos defectos aumenta la resistencia general del sistema”, dijo.

“Nadie ha hecho estas estructuras independientes de la escala antes”, agregó Valdevit, quien dirige el Instituto de Innovación en Diseño y Fabricación de Irvine. “Fuimos el primer grupo en validar experimentalmente que podían funcionar tan bien como lo habían predicho, al tiempo que demostraban un material arquitectónico de resistencia mecánica sin precedentes”.

Las nano redes son muy prometedoras para los ingenieros estructurales, particularmente en el sector aeroespacial, porque se espera que su combinación de fuerza y ​​baja densidad de masa mejore en gran medida el rendimiento de las aeronaves y naves espaciales.

Fuente: EP