Optimizan múltiples capas de nácar junto con sus interconexiones en una configuración continua
Millones de años de evolución han permitido que algunos animales marinos desarrollen complejas conchas protectoras compuestas de múltiples capas que trabajan juntas para disipar el estrés físico.
En un nuevo estudio, los ingenieros han encontrado una forma de imitar el comportamiento de este tipo de material en capas, como el nácar de las conchas marinas, programando capas individuales de material sintético para que trabajen en colaboración bajo tensión.
El nuevo diseño del material está preparado para mejorar los sistemas de absorción de energía, como vendajes portátiles y parachoques de automóviles, con respuestas de múltiples etapas que se adaptan a la gravedad de la colisión.
Muchos estudios anteriores se han centrado en la ingeniería inversa para replicar el comportamiento de materiales naturales como huesos, plumas y madera para reproducir sus respuestas no lineales al estrés mecánico.
Un nuevo estudio, dirigido por Shelly Zhang, profesora de ingeniería civil y ambiental de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y el profesor Ole Sigmund, de la Universidad Técnica de Dinamarca, investigó más allá de la ingeniería inversa para desarrollar un marco de trabajo para materiales multicapa programables capaces de responder a perturbaciones locales mediante interconexiones a microescala.
"Este trabajo nació de una discusión con mi colaborador, el profesor Sigmund, sobre cómo ya podemos lograr algunos comportamientos muy extremos, pero siempre hay un límite físico o límite superior que los materiales individuales pueden alcanzar, incluso con programación", dijo Zhang.
"Eso nos llevó a considerar qué tipo de ingeniería podría permitir algunos de los inusuales comportamientos materiales necesarios en la vida real. Por ejemplo, comportamientos de pandeo extremos podrían ayudar a disipar energía en cosas como los parachoques de los automóviles".
Fue entonces cuando el equipo centró su atención en materiales biológicos con múltiples capas que cumplían una función diferente y en cómo podían fabricar un material sintético y utilizar programación y optimización internas a microescala para controlar su respuesta al estrés y la tensión mecánica.
"Se nos ocurrió la idea de diseñar materiales multicapa, cada uno de los cuales sería capaz de exhibir diferentes propiedades y comportamientos", explicó Zhang.
Pero, sin detenerse allí, el equipo se esforzó para incluir la capacidad de las capas individuales de colaborar para comportarse esencialmente de manera colectiva como una sola.
"Nuestro nuevo marco de trabajo presenta varias ventajas sobre las metodologías existentes para respuestas tensión-deformación no lineales", afirmó Zhang. "Optimiza múltiples capas de nácar junto con sus interconexiones en una configuración continua, lo que amplía significativamente el espacio de diseño en comparación con trabajos similares que utilizan una configuración de una sola capa o estructuras reticulares".
Durante la fabricación, el equipo aprendió algunas lecciones. La idea teórica de este trabajo es contar con un material infinitamente periódico. Aun así, el equipo debe fabricar unidades finitas, y era de esperar que el material teórico y el material fabricado exhibieran diferentes comportamientos.
"La discrepancia que encontramos es algo que siempre ocurrirá en la vida real", dijo Zhang. "Pero podemos aprovechar esta información para programar intencionalmente la secuencia de pandeo de cada una de las células individuales en el ensamblaje, almacenar cierta información dentro y luego más tarde podemos decodificar la información. Fue fascinante recoger esta discrepancia y que terminara aportando información necesaria para mejorar el trabajo".
Aún queda mucho trabajo por hacer para ampliar la fabricación de este tipo de material, pero Zhang dijo que una cosa valiosa aprendida de este estudio es que cuando las personas colaboran, logran cosas mucho mayores.
"Creo que ocurre lo mismo con los materiales", dijo Zhang. "Cuando diferentes materiales trabajan juntos, pueden lograr resultados mucho más impactantes que si lo hicieran individualmente".
Los hallazgos del estudio se publican en la revista Science Advances: Extreme nonlinearity by layered materials through inverse design
