Vea También
 |
| Ingenieros del MIT, Caltech y ETH Zürich descubren que los materiales "nanoarquitectados" diseñados a partir de estructuras a nanoescala con patrones precisos (en la imagen) pueden ser una vía prometedora para conseguir blindajes ligeros, revestimientos protectores, escudos contra explosiones y otros materiales resistentes a los impactos. Crédito: Cortesía de los investigadores |
Resistencia al impacto supersónico del carbono nanoarquitectónico
Los materiales arquitectónicos con características a nanoescala han permitido combinaciones extremas de propiedades al explotar el espacio de diseño estructural ultraligero junto con la mejora mecánica inducida por el tamaño a pequeñas escalas. Aparte de las ondas lineales en los metamateriales, este principio se ha restringido a las propiedades cuasiestáticas o a los fenómenos de baja velocidad, dejando los materiales nanoarquitectados en condiciones dinámicas extremas en gran medida inexplorados. Aquí, mediante experimentos de impacto supersónico de micropartículas, demostramos la disipación de energía de impacto extrema en materiales tridimensionales de carbono nanoarquitectados que presentan una disipación de energía normalizada en masa superior a la de los materiales tradicionales resistentes a los impactos, como el acero, el aluminio, el polimetilmetacrilato y el Kevlar. Las imágenes in situ de alta velocidad y la microscopía confocal post-mortem revelan mecanismos consistentes como la craterización por compactación y la captura de micropartículas que permiten esta respuesta superior. Por analogía con el impacto planetario, introducimos herramientas de predicción para la formación de cráteres en estos materiales utilizando el análisis dimensional. Estos resultados revelan sustancialmente el régimen dinámico en el que la nanoarquitectura permite el diseño de materiales ultraligeros y resistentes a los impactos que podrían abrir el camino a los principios de diseño de blindajes ligeros, revestimientos protectores y escudos resistentes a las explosiones para la electrónica sensible.
Un nuevo estudio realizado por ingenieros del MIT, Caltech y ETH Zürich demuestra que los materiales "nanoarquitectados" -materiales diseñados a partir de estructuras a nanoescala modeladas con precisión- pueden ser una vía prometedora para conseguir blindajes ligeros, revestimientos protectores, escudos contra explosiones y otros materiales resistentes a los impactos.
Los investigadores han fabricado un material ultraligero a partir de puntales de carbono a escala nanométrica que confieren al material dureza y robustez mecánica. El equipo probó la resistencia del material disparándole micropartículas a velocidades supersónicas, y descubrió que el material, que es más fino que el ancho de un cabello humano, impedía que los proyectiles en miniatura lo atravesaran.
Los investigadores calculan que, en comparación con el acero, el Kevlar, el aluminio y otros materiales resistentes a los impactos de peso comparable, el nuevo material es más eficaz a la hora de absorber los impactos.
"La misma cantidad de masa de nuestro material sería mucho más eficaz para detener un proyectil que la misma cantidad de masa de Kevlar", afirma el autor principal del estudio, Carlos Portela, profesor adjunto de ingeniería mecánica del MIT.
 |
| El equipo probó la resistencia del material disparándole micropartículas a velocidades supersónicas, y descubrió que el material, que es más fino que el ancho de un cabello humano, impedía que los proyectiles en miniatura lo atravesaran. Crédito: Cortesía de los investigadores |
Si se producen a gran escala, éste y otros materiales nanoarquitectónicos podrían diseñarse como alternativas más ligeras y resistentes al kevlar y al acero.
"Los conocimientos de este trabajo... podrían proporcionar principios de diseño para materiales ultraligeros resistentes a los impactos [para su uso en] materiales de blindaje eficientes, revestimientos protectores y escudos resistentes a las explosiones deseables en aplicaciones de defensa y espaciales", afirma la coautora Julia R. Greer, profesora de ciencia de los materiales, mecánica e ingeniería médica en Caltech, cuyo laboratorio dirigió la fabricación del material.
El equipo, que publicó sus resultados el 24 de junio de 2021 en la revista Nature Materials, incluye a David Veysset, Yuchen Sun y Keith A. Nelson, del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT y del Departamento de Química, y a Dennis M. Kochmann, de ETH Zürich.
 |
| Utilizando una cámara de alta velocidad, los investigadores capturaron vídeos de las micropartículas haciendo impacto con el material nanoarquitectónico. Crédito: MIT / Cortesía de los investigadores |
"Demostramos que el material puede absorber mucha energía gracias a este mecanismo de compactación de los puntales en la nanoescala, frente a algo totalmente denso y monolítico, no nanoarquitectónico", afirma Portela.
Curiosamente, el equipo descubrió que podía predecir el tipo de daño que sufriría el material utilizando un marco de análisis dimensional para caracterizar los impactos planetarios. Utilizando un principio conocido como el teorema de Buckingham, este análisis tiene en cuenta varias magnitudes físicas, como la velocidad de un meteorito y la resistencia del material de la superficie de un planeta, para calcular la "eficiencia de craterización", o la probabilidad y el grado en que un meteorito excavará un material.
Cuando el equipo adaptó la ecuación a las propiedades físicas de su película nanoarquitectónica y al tamaño y la velocidad de las micropartículas, descubrió que el marco podía predecir el tipo de impactos que mostraban sus datos experimentales.
Portela afirma que el marco puede utilizarse para predecir la resistencia al impacto de otros materiales nanoarquitectados. Tiene previsto explorar diversas configuraciones nanoestructuradas, así como otros materiales además del carbono, y formas de aumentar su producción, todo ello con el objetivo de diseñar materiales de protección más resistentes y ligeros.
"Los materiales nanoarquitectónicos son realmente prometedores como materiales de mitigación de impactos", afirma Portela. "Hay muchas cosas que aún no sabemos sobre ellos, y estamos iniciando este camino para responder a estas preguntas y abrir la puerta a sus aplicaciones generalizadas".
Referencias: “Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon” by
Carlos M. Portela, Bryce W. Edwards, David Veysset, Yuchen Sun, Keith A.
Nelson, Dennis M. Kochmann and Julia R. Greer, 24 June 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01033-z