Innovación en materiales: fuertes como el acero, ligeros como la espuma

Investigadores de la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto han logrado un avance significativo en el desarrollo de materiales nanoarquitectónicos que combinan la resistencia del acero al carbono con la ligereza del poliestireno expandido. Este logro, publicado en la revista Advanced Materials, presenta un enfoque revolucionario que podría transformar múltiples industrias, desde la automotriz hasta la aeroespacial.

Una combinación única de propiedades

El equipo liderado por el profesor Tobin Filleter ha diseñado materiales que combinan una alta relación de resistencia-peso y rigidez-peso, superando las limitaciones de los materiales actuales. Estos materiales nanoarquitectónicos están compuestos por bloques diminutos de carbono, denominados nanolattices, con dimensiones de apenas unos cientos de nanómetros. Para ponerlo en perspectiva, se necesitarían más de 100 de estos bloques alineados para igualar el grosor de un cabello humano.

El uso de estructuras tridimensionales complejas a escala nanométrica aprovecha el principio de que «más pequeño es más fuerte», logrando propiedades excepcionales. Sin embargo, las geometrías tradicionales de los nanolattices presentan esquinas afiladas que generan concentraciones de estrés, lo que limita su rendimiento general. Este problema fue abordado con éxito gracias a la implementación de algoritmos de aprendizaje automático.

Machine learning al servicio de la ingeniería

Para superar los retos de diseño, los investigadores trabajaron con el profesor Seunghwa Ryu y el estudiante Jinwook Yeo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST). Utilizando un algoritmo de optimización bayesiana multiobjetivo, lograron identificar geometrías que maximizan la distribución del estrés y mejoran la relación resistencia-peso de los nanolattices.

El aprendizaje automático permitió al algoritmo generar diseños completamente nuevos, optimizados para resistir el estrés, con una eficiencia asombrosa. A diferencia de otros algoritmos que requieren grandes volúmenes de datos (hasta 20.000 puntos), este sistema logró resultados excepcionales con solo 400 puntos de datos de alta calidad.

Fabricación avanzada en la escala nano

Una vez diseñados los nuevos materiales, se utilizaron técnicas de fabricación aditiva con una impresora 3D de polimerización bifotónica, localizada en el Centro de Investigación y Aplicación en Tecnologías Fluidas (CRAFT). Este proceso permitió la creación de nanolattices de carbono optimizados, que duplicaron la resistencia de los diseños existentes, soportando un estrés de 2,03 megapascales por cada metro cúbico por kilogramo de densidad, unas cinco veces superior al titanio.

Aplicaciones prometedoras en la sostenibilidad

Este avance tiene un impacto significativo en la sostenibilidad, especialmente en la industria aeroespacial. Según los investigadores, reemplazar componentes de titanio por este material en aviones podría generar ahorros de combustible de 80 litros por año por cada kilogramo de material sustituido. Esto no solo reduciría los costos operativos, sino también las emisiones de carbono asociadas al transporte aéreo, una de las mayores fuentes de contaminación global.

Una colaboración internacional multidisciplinaria

El proyecto involucró la colaboración de destacados investigadores de instituciones como el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) en Alemania, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Rice en Estados Unidos. Además, contó con aportes de expertos en ciencia de materiales, química, mecánica y aprendizaje automático.

Próximos pasos

Los investigadores planean continuar con el escalado de estos materiales para su producción en masa, haciéndolos económicamente viables para su implementación en componentes macroscopicos ligeros y resistentes. Asimismo, explorarán nuevos diseños que puedan reducir aún más la densidad del material sin comprometer su resistencia.

Este avance marca un hito en la intersección de la ciencia de materiales y la inteligencia artificial, demostrando que la innovación tecnológica puede allanar el camino hacia soluciones más sostenibles y eficientes en el uso de recursos. El futuro de los materiales ligeros y resistentes está cada vez más cerca de revolucionar industrias clave y reducir nuestro impacto ambiental.

Fuente: ecoinventos.com