Los investigadores del Instituto Tecnológico de California han ideado una nueva clase de materiales que pueden cambiar sin problemas de comportamiento entre fluido y sólido. Estos materiales, conocidos como materiales arquitectónicos policatenarios (PAM), están formados por anillos entrelazados o estructuras similares a jaulas que pueden reorganizarse en respuesta a fuerzas externas. Imagina una armadura de malla que fluye como el agua cuando se la toca ligeramente, pero se bloquea en su lugar cuando se la golpea con fuerza. Esto no está muy lejos de lo que pueden hacer los PAM.
El término materiales arquitectónicos policatenarios se refiere a la forma en que están construidos: no a partir de bloques sólidos o redes rígidas, sino a partir de anillos entrelazados o partículas similares a jaulas que forman redes tridimensionales. Cuando se deforman suavemente, pueden estirarse y torcerse, cambiando su estructura como fluidos no newtonianos. Pero bajo mayor estrés, se endurecen y absorben energía como las espumas o redes tradicionales. Este comportamiento único podría conducir a nuevas aplicaciones en robótica blanda, materiales resistentes a los impactos y estructuras que cambian de forma.
Un material que desafía las convenciones
Los materiales tradicionales suelen ser rígidos, con propiedades fijas determinadas por su composición química. Los PAM son diferentes porque derivan su comportamiento no de lo que están hechos, sino de cómo están dispuestas sus estructuras internas. Los investigadores, dirigidos por Wenjie Zhou y Chiara Daraio, diseñaron estos materiales traduciendo las intrincadas geometrías de las redes cristalinas en estructuras 3D hechas de partículas entrelazadas.
“Los PAM son realmente un nuevo tipo de materia”, dijo Daraio, profesor de ingeniería mecánica y física aplicada en Caltech. “No encajan perfectamente en las categorías que hemos utilizado durante siglos”.
La inspiración para los PAM proviene de una antigua invención: la cota de malla. Durante siglos, los guerreros usaban armaduras hechas de anillos de metal entrelazados, creando una malla flexible pero duradera. Los PAM llevan esta idea a un nuevo nivel. En lugar de simples anillos, están formados por múltiples formas intrincadas y entrelazadas. Por lo tanto, consisten en anillos, jaulas y otras formas geométricas dispuestas en redes tridimensionales. Estas estructuras se diseñan en computadoras y se les da vida mediante impresoras 3D.
Zhou, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Daraio, ha pasado dos años estudiando estos materiales. “Yo era químico y quería hacer estas estructuras a escala molecular, pero eso resultó demasiado desafiante”, dice Zhou. “Para obtener respuestas a las preguntas que tenía sobre cómo se comportan estas estructuras, decidí unirme al grupo de Chiara y estudiar los PAM a mayor escala”.
Del concepto a la realidad
El equipo imprimió en 3D prototipos de PAM en varios materiales, incluidos polímeros acrílicos, nailon y metales. Fabricaron PAM tanto a escala macro como micro. La mayoría de los prototipos eran pequeños cubos o esferas, aproximadamente del tamaño de una pelota de golf. Luego, sometieron estos materiales a una serie de pruebas: comprimiéndolos, retorciéndolos y cortándolos para ver cómo respondían.
Los resultados fueron asombrosos. En ciertas condiciones, los PAM se comportaron como fluidos. “Imaginemos que aplicamos una tensión de corte al agua”, explica Zhou. “No habría resistencia. Como los PAM tienen todos estos grados de libertad coordinados, con los anillos y las jaulas que los componen deslizándose unos contra otros como lo harían los eslabones de una cadena, muchos tienen muy poca resistencia al corte”. Pero cuando se comprimen, los mismos materiales se vuelven rígidos y se comportan como sólidos.
Esto hace que los PAM sean exquisitamente únicos. La mayoría de los materiales se dividen en dos categorías: sólidos o materia granular. Los sólidos, como los metales o los cristales, tienen estructuras fijas. Los materiales granulares, como la arena o el arroz, están formados por partículas individuales que pueden moverse libremente. Los PAM, sin embargo, se encuentran en la línea entre estos dos mundos.
“Con los PAM, las partículas individuales están vinculadas como lo están en las estructuras cristalinas y, sin embargo, como estas partículas son libres de moverse unas respecto de otras, fluyen, se deslizan unas sobre otras y cambian sus posiciones relativas, más como granos de arena”, explica Daraio. “Esta transición entre el comportamiento fluido y el sólido es lo que los hace tan fascinantes”.
Los investigadores descubrieron que, modificando la geometría de las partículas y la forma en que están conectadas, podían controlar la tensión crítica en la que se produce el bloqueo. Esto significa que los PAM pueden diseñarse para absorber energía de manera más eficiente o para transformarse en formas específicas en determinadas condiciones.
El camino por delante
Las posibles aplicaciones de los PAM son amplias. Su capacidad para absorber energía de manera eficiente los hace ideales para equipos de protección, como cascos o chalecos antibalas. También podrían utilizarse en envases, donde la amortiguación es fundamental, o en dispositivos biomédicos y robótica blanda, donde la flexibilidad y la capacidad de respuesta son clave.
Liuchi Li, coautor del estudio y ahora profesor adjunto en la Universidad de Princeton, está entusiasmado con el futuro de los PAM. “Podemos imaginar la incorporación de técnicas avanzadas de inteligencia artificial para acelerar la exploración de este vasto espacio de diseño”, dice Li. “Sólo estamos arañando la superficie de lo que es posible”.
A medida que los científicos sigan explorando sus propiedades, estos materiales pronto podrían encontrar su camino en nuestra vida cotidiana, remodelando el mundo de maneras que solo podemos empezar a imaginar.
El estudio apareció en la revista Science.
Fuente: ZME Science.
