La “madera metálica” que es tan fuerte como el titanio pero hasta cinco veces más liviana

Ingenieros en Estados Unidos y en Inglaterra desarrollaron ahora un material tan fuerte como el titanio pero entre cuatro y cinco veces más liviano

31/01/2019

El titanio está presente en numerosos objetos, desde alas de avión a implantes dentales.

Es un material tan fuerte como el acero pero dos veces más liviano.

Ingenieros en Estados Unidos y en Inglaterra desarrollaron ahora un material tan fuerte como el titanio pero entre cuatro y cinco veces más liviano.

El material, que fue producido a nanoescalas y consiste en una lámina de níquel porosa, fue descrito por los investigadores como una “madera metálica”.

Una de sus características más prometedoras es que los poros podrían ser infundidos con otros materiales para darle a la “madera metálica” más de una función.

El níquel poroso podría utilizarse, por ejemplo, en el ala de un avión o en una prótesis que también sea una batería.

Similar a la madera

“La razón por la que llamamos a este material ‘madera metálica’ es que es similar a la madera no sólo en su densidad sino en su naturaleza celular“, señaló James Pikul, profesor del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Pensilvania en Estados Unidos y director del estudio, en el que también participaron la Universidad de Illinois y la Universidad de Cambridge.

Madera del árbol aliso común bajo el microscopio. En la imagen pueden verse los poros que permiten transporte de fluidos.

“Los materiales celulares son porosos. Si miras el grano de la madera ves partes gruesas y densas que sostienen la estructura, y otras partes porosas que permiten funciones biológicas, como el transporte desde y hacia las células”, explica Pikul.

“En forma similar, nuestro material tiene áreas densas con soportes o puntales metálicos y otras áreas porosas con espacios de aire”.

Enfoque arquitectónico

Aún los mejores materiales naturales tienen defectos en el alineamiento de los átomos que limitan su resistencia, señaló la Universidad de Pensilvania en un comunicado.

Un bloque de titanio en el que cada átomo estuviera perfectamente alineado con sus vecinos podría ser diez veces más fuerte.

Los investigadores de nuevos materiales han venido intentando explotar este fenómeno mediante un enfoque arquitectónico.

En otras palabras, la idea es diseñar estructuras con el control geométrico necesario para desbloquear propiedades mecánicas que surgen a nanoescalas.

Autoensamblaje

Los soportes o puntales densos de la madera metálica miden cerca de 10 nanómetros de ancho, el equivalente a 100 átomos de níquel.

El método usado por Pikul y sus colegas para obtener la madera metálica comienza con diminutas esferas plásticas, de pocos cientos de nanómetros de diámetro, suspendidas en agua.

Ilustración que muestra el método usado para obtener la madera metálica

University of Pennsylvania
Las esferas plásticas apiladas (en blanco) proveen un andamio para el níquel (en azul). El plástico luego se disuelve para dejar una estructura de níquel en la que pueden infundirse otros materiales (amarillo).

Cuando el agua se evapora lentamente, las esferas se acomodan y autoensamblan en armazones.

Los investigadores infiltran luego las esferas plásticas con níquel y posteriormente el plástico es disuelto con un solvente, dejando atrás un entramado de soportes mecánicos de níquel.

Dado que aproximadamente el 70% del material es espacio vacío, su densidad es sumamente baja en relación a su resistencia.

El material tiene una densidad similar a la del agua, por lo que un ladrillo de madera metálica flotaría.

Muestras más grandes

El siguiente desafío de los investigadores es replicar el proceso a escalas comercialmente relevantes.

“Sabemos desde hace tiempo que trabajar a escalas pequeñas permite obtener materiales más fuertes”, señaló Pikul.

“Pero muchas de las muestras de esos materiales no son lo suficientemente grandes como para hacer algo útil, tienen un tamaño similar al de una polilla pequeña. Con nuestro enfoque, obtuvimos muestras de madera metálica 400 veces más grandes“.

Una vez que los investigadores produzcan muestras más grandes podrán someterlas a pruebas para entender mejor sus propiedades a macroescalas.

“No sabemos, por ejemplo, si nuestra madera metálica se abolla como el metal o se hace añicos como el vidrio”, afirmó el ingeniero.

Pikul y sus colegas exploran métodos para integrar diferentes materiales en los “andamios” de la madera metálica.

“Algo muy interesante es que obtenemos un material con la misma fortaleza que otros materiales, pero que está vacío en un 70%”, recalcó el ingeniero.

“Y podrías algún llenar ese espacio con otras cosas, incluyendo organismos vivos o materiales que almacenan energía”.


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