Los científicos han encontrado una nueva forma de estructurar el carbono a nanoescala, haciendo un material que es superior al diamante en la relación resistencia / densidad.
Si bien la pequeña red de carbono ha sido fabricada y probada en el laboratorio, está muy lejos del uso práctico. Pero este nuevo enfoque podría ayudarnos a construir materiales más fuertes y livianos en el futuro, algo que es de gran interés para industrias como la aeroespacial y la aviación.
De lo que estamos hablando aquí es de algo conocido como nano redes: estructuras porosas como la de la imagen de arriba que está formada por tirantes y tirantes de carbono tridimensionales. Debido a su estructura única, son increíblemente fuertes y livianos.
Por lo general, estas nano redes se basan en un marco cilíndrico (se denominan redes de rayos). Pero el equipo ahora ha creado nano redes de placas, estructuras basadas en pequeñas placas.
Este cambio sutil puede no parecer mucho, pero los investigadores dicen que puede hacer una gran diferencia cuando se trata de fuerza.
Basado en los primeros experimentos y cálculos, el enfoque de la placa promete un aumento del 639 por ciento en la resistencia y un aumento del 522 por ciento en la rigidez sobre el enfoque del nanolattice del haz.
"Los científicos han pronosticado que las nano redes dispuestas en un diseño basado en placas serían increíblemente fuertes". dice el científico de materiales Cameron Crook, de la Universidad de California, Irvine (UCI).
"Pero la dificultad en la fabricación de estructuras de esta manera significaba que la teoría nunca fue probada, hasta que lo logramos".
Para finalmente probar estos materiales en el laboratorio, los investigadores utilizaron un complejo proceso de impresión láser en 3D llamado escritura láser directa de polimerización de dos fotones, que esencialmente utiliza reacciones químicas cuidadosamente administradas dentro de un rayo láser para grabar formas en las escalas más pequeñas.
Usando resina líquida sensible a la luz ultravioleta, el proceso dispara fotones a la resina para convertirla en un polímero sólido en una forma particular. Luego se requieren pasos adicionales para eliminar el exceso de resina y calentar la estructura para fijarla en su lugar.
Lo que los científicos han logrado hacer aquí se acerca a la rigidez teórica y la resistencia máximas de un material de este tipo: límites conocidos como los límites superiores de Hashin-Shtrikman y Suquet.
Según lo confirmado por un microscópio electrónico escaneando, estos son los primeros experimentos reales que muestran que se pueden alcanzar esos límites teóricos, aunque todavía estamos muy lejos de poder fabricar este material a mayor escala.
De hecho, parte de la resistencia del material radica en su pequeño tamaño: a medida que los objetos como este se reducen a menos de 100 nanómetros, mil veces más pequeños que el grosor de un cabello humano, los poros y grietas en ellos se vuelven cada vez más pequeños, lo que reduce los posibles defectos.
En cuanto a cómo estas nano redes pueden eventualmente ser utilizadas, sin duda serán de interés para los ingenieros aeroespaciales: su combinación de fuerza y baja densidad los hace ideales para aviones y naves espaciales.
"Los diseños anteriores basados en vigas, aunque de gran interés, no habían sido tan eficientes en términos de propiedades mecánicas". dice el ingeniero mecánico Jens Bauer, de UCI.
"Esta nueva clase de nano-redes de placas que hemos creado es dramáticamente más fuerte y más rígida que las mejores redes de nano-vigas".
La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.