Los avances científicos rara vez ocurren simultáneamente. A menudo, evolucionan lentamente, a medida que los investigadores e ingenieros aprovechan un progreso constante durante años hasta que lo extraordinario finalmente se convierte en rutina.
Ahora, los científicos han llegado a un punto de inflexión en ese viaje gradual. Investigadores de la Universidad de Michigan y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) han demostrado una forma de imprimir en 3D estructuras tubulares complejas cuyas geometrías internas únicas les permiten suprimir las vibraciones de una manera que no se ve en los materiales naturales. Estas creaciones pertenecen a una clase conocida como metamateriales mecánicos: materiales diseñados con propiedades que provienen enteramente de su diseño y no de su estructura.
La capacidad de bloquear o reducir la vibración puede resultar valiosa en muchas industrias, desde el transporte hasta la construcción y más. Hallazgos del grupo, publicados. Se aplica revisión físicaAproveche décadas de teoría y modelos informáticos para crear estructuras del mundo real que puedan interrumpir pasivamente las vibraciones que las atraviesan.
“Ahí es donde está la verdadera innovación. Nos hemos dado cuenta: realmente podemos hacer estas cosas”, dijo James McInerney, investigador asociado de AFRL. McInerney fue anteriormente becario postdoctoral en la UM, Xiaoming Mao, profesor de física, quien también es autor del nuevo estudio.
“Tenemos la esperanza de que se les pueda dar un buen uso. En este caso, es aislamiento de vibraciones”, dijo McInerney.
El proyecto recibió financiación parcial de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Oficina de Investigación Naval, y también contó con el apoyo del Programa de Asociación de Investigación del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. administrado por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina.
Los contribuyentes incluyen a Serif Toll, profesor asociado de ingeniería mecánica en la UM; Othman Odghiri-Idrisi de la Universidad de Texas; y Carson Wiley y Abigail Juhl de Afrl.
“Durante siglos, los humanos han mejorado los materiales cambiando su química. Nuestro trabajo se basa en el campo de los metamateriales, donde es la geometría, más que la química, la que da lugar a propiedades inusuales y útiles”, dijo Mao. “Estos principios geométricos se pueden aplicar desde la nanoescala a la macroescala, lo que nos proporciona una solidez extraordinaria”.
Base estructural
Según McInerney, la investigación combina ingeniería estructural clásica, física moderna y herramientas de fabricación de vanguardia, como la impresión 3D.
“Existe una posibilidad real de que seamos capaces de crear materiales desde cero con una precisión increíble”, dijo. “La visión es que podremos fabricar materiales arquitectónicos muy específicos y la pregunta que nos hacemos es: ‘¿Qué podemos hacer con esto? ¿Cómo podemos fabricar nuevos materiales que sean diferentes de los que estamos acostumbrados?’”
Como señala Mao, el equipo no está cambiando la química ni la composición molecular del material. En cambio, están explorando cómo el control de la forma y la estructura a una escala fina puede crear propiedades mecánicas nuevas y ventajosas.
En la naturaleza este método ya existe. Los huesos humanos y las conchas de plancton, por ejemplo, utilizan geometrías complejas para lograr una resistencia y elasticidad extraordinarias a partir de materiales comunes. Con tecnologías como la impresión 3D, los científicos ahora pueden replicar y mejorar esos principios de diseño natural en metales, polímeros y otros materiales para lograr efectos que antes estaban fuera de su alcance.
“La idea no es reemplazar el acero y el plástico, sino usarlos de manera más eficiente”, dijo McInerney.
La nueva escuela se encuentra con la vieja escuela
Aunque este trabajo se basa en inventos modernos, tiene importantes fundamentos históricos. Por un lado, está el trabajo del famoso físico del siglo XIX James Clerk Maxwell. Aunque es mejor conocido por su trabajo en electromagnetismo y termodinámica, también incursionó en la mecánica y desarrolló consideraciones de diseño útiles para crear estructuras estables con subunidades repetidas llamadas redes de Maxwell, dijo McInerney.
Otra idea clave detrás del nuevo estudio surgió en la segunda mitad del siglo XX, cuando los físicos descubrieron que surgían comportamientos interesantes y confusos cerca de los bordes y límites de los materiales. Esto llevó a un nuevo campo de estudio, conocido como topología, que todavía está muy activo y trabaja para explicar estos comportamientos y ayudar a capitalizarlos en el mundo real.
“Hace aproximadamente una década, hubo una publicación fundamental que encontró que las redes de Maxwell pueden exhibir una fase topológica”, dijo McInerney.
Durante los últimos años, McInerney y sus colegas han explorado las implicaciones de ese estudio en relación con el aislamiento de vibraciones. El equipo desarrolló un modelo que explica ese comportamiento y cómo diseñar un objeto real que lo exhiba. El equipo ha demostrado ahora que su modelo sigue siendo el más avanzado al crear un objeto de este tipo con nailon impreso en 3D.
Una mirada superficial a las estructuras revela por qué fue un desafío construirlas antes. Se parecen a una valla de tela metálica doblada y enrollada en un tubo con una capa interior y exterior conectadas. Los físicos los llaman tubos kagome, en referencia al tejido de cestas tradicional japonés que utiliza patrones similares.
Sin embargo, este es el primer paso para aprovechar el potencial de tales estructuras, afirmó McInerney. Por ejemplo, las investigaciones también han demostrado que cuanto mejor es una estructura para suprimir las vibraciones, menos peso puede soportar. Se trata de una compensación costosa, potencialmente incluso inaceptable, en términos de aplicaciones, pero pone de relieve oportunidades interesantes y cuestiones que permanecen en un nivel fundamental, afirmó.
A medida que se crean estructuras novedosas, los científicos e ingenieros deben desarrollar nuevos estándares y métodos para probarlas, caracterizarlas y evaluarlas, un desafío que entusiasma a McInerney.
“Debido a que tenemos comportamientos tan nuevos, todavía estamos descubriendo no sólo los modelos, sino también la forma en que los probamos, las conclusiones que sacamos de las pruebas y cómo implementamos esas conclusiones en un proceso de diseño”, dijo. “Creo que esas son preguntas que deben responderse honestamente antes de comenzar a responder preguntas sobre solicitudes”.
Fuente: ucodigital.com.ar
Deja una respuesta