Obtienen un material ultrarresistente con base en una idea del siglo XIX

Científicos de Brasil y de Estados Unidos producen estructuras con alta resistencia mecánica basadas en los modelos matemáticos creados por Karl Schwarz en 1880, mediante impresión en 3D

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – En 1880, el matemático alemán Karl Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) ideó estructuras con geometrías complejas en las cuales las superficies son mínimas y periódicas (con patrones repetidos) y con curvatura negativa, como las de una silla de montar.

Más de 100 años después, en 1991, el físico mexicano Humberto Terrones y el químico inglés Alan Mckay postularon que la inclusión de anillos de carbono con más de seis átomos en una malla hexagonal de grafito podría dar origen a estructuras periódicas con curvatura negativa como las que Schwarz imaginó y similares a las de las zeolitas, minerales con estructura porosa y tridimensional.

Estas estructuras cristalinas esponjosas, denominadas schwarzitas por Terrones y Mckay, en homenaje al matemático alemán, podrían tener centenas de átomos y células porosas, y dar origen a materiales rígidos similares a la espuma, con características y propiedades mecánicas y electromagnéticas poco comunes. Con todo, estas estructuras existían sólo teóricamente.

Pero ahora un grupo de científicos brasileños vinculado al Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales (CECC) –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la FAPESP–, en colaboración con colegas de la Rice University, de Estados Unidos, logró encontrar una manera práctica de generar estos materiales a escala real.

La técnica para la construcción y los resultados de los experimentos de análisis de la resistencia de los materiales a la compresión y al impacto aparecen descritos en la revista Advanced Materials. “Logramos generar a escala macroscópica materiales que sólo existían a escala atómica”, declaró a Agência FAPESP Douglas Galvão, uno de los autores del estudio, quien se desempeña como docente en el Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil.

Para obtener este material, los científicos proyectaron inicialmente –mediante algoritmos computacionales– modelos a escala atómica de estructuras porosas de dos familias distintas de schwarzitas: la primitiva y la giromana.

Los modelos moleculares de la familia primitiva contenían 48 y 192 átomos por unidad de célula respectivamente, en tanto que los modelos de la familia giromana tenían 96 y 384 átomos. Las estructuras poseían superficies mínimas periódicas, como las que Schwarz concibió originariamente.

Los datos de las cuatro estructuras moleculares se compilaron con un software de modelado computacional en modelos tridimensionales. Los modelos se imprimieron en polímero, en forma de cubos y a escala de centímetros de longitud con impresoras 3D.

“La idea consistió en desarrollar un material con propiedades exóticas como la schwarzita a escala atómica, construir un modelo a macroescala con base en éste e imprimir esa estructura a escala real con una impresora 3D para verificar si mantiene esas propiedades, como la de altísima resistencia”, explicó Galvão.

Los ensayos de resistencia

Los científicos evaluaron la resistencia a la compresión y al impacto mecánico tanto de las estructuras a nivel atómico –mediante simulación–, como de los modelos impresos en 3D.

Los resultados indicaron que las estructuras presentan una alta resistencia al impacto y a la compresión mecánica a nivel atómico y a macroescala, debido a un mecanismo de deformación en capas.

Al aplicar una fuerza de un lado del material, el mismo se deforma lentamente y en forma no homogénea. Sucede que los poros de las capas más altas, que sufren más directamente la presión, se cierran primero y luego cierran a los que se encuentran debajo.

“Este mecanismo de deformación del material es muy similar al de las conchas marinas, que poseen una matriz mineral compuesta de calcita y una capa de proteínas que absorbe las presiones extremas sin fracturarse, al transferir el estrés a todas sus estructuras”, dijo Galvão.

“Lo que es interesante en el caso de las estructuras de schwarzitas que generamos es que están compuestas por un solo material –el polímero PLA, utilizado en impresoras 3D–, y no dos, como tienen las conchas, que tienen la matriz mineral y la parte orgánica juntas”, remarcó.

Los resultados de los ensayos también mostraron que las estructuras de schwarzitas exhiben una resiliencia notable bajo compresión mecánica. Puede reducírselas hasta la mitad de su tamaño original antes de que presenten una falla estructural (fractura).

Los ensayos indicaron que la carga aplicada se transfirió a toda la geometría de las estructuras, independientemente de la cara que se comprimió, tanto en las simulaciones de las estructuras a nivel atómico como en los modelos impresos.

“Nos sorprendió que algunas características de las estructuras a escala atómica se preservaron en las estructuras impresas en 3D”, dijo Galvão, quien estudia nanoestructuras mediante simulaciones computacionales de dinámica molecular.

Pero la característica del material que más sorprendió a los investigadores fue la resistencia mecánica. Al soltar casi 10 kilogramos del material dese una altura de 1 metro, no se rompió.

“Ahora estamos analizando otra familia de schwarzita, con una estructura muy parecida a la del diamante. Los resultados son aún más impresionantes. No fue posible romper el material con las máquinas de ensayos de resistencia disponibles en el CNPEN [el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales]. Esta alta resistencia del material obedece a su topología”, dijo Galvão. 

Resistente y complejo

Algunas de las posibles aplicaciones de las estructuras de schwarzitas que generaron los investigadores se relacionan con la protección balística –en chalecos antibalas– y en componentes resistentes a impactos y a altas cargas destinados a edificios, coches y aeronaves.

“Como es un polímero, no sabemos si al utilizárselo en un chaleco antibalas el calor de una bala podría fundirlo localmente. Pretendemos realizar ensayos para verificarlo”, dijo Galvão.

Los investigadores pretenden ahora refinar las superficies de las estructuras con impresoras 3D de mayor resolución y disminuir la cantidad de polímero para que los bloques sean más livianos aún. Otra idea consiste en utilizar materiales cerámicos y metálicos a mayor escala, y no solamente en forma de bloques, para construir estructuras ultraduras.

“Ahora tenemos una receta para buscar en la literatura estructuras interesantes a escala atómica que nunca se sintetizaron debido a su complejidad, y crear modelos de las mismas a macroescala”, sostuvo Galvão.

El video sobre el proceso de construcción de las estructuras de schwarzitas puede verse en: youtube.com/watch?v=VBFMYwys3k8&feature=youtu.be (abajo). 

Y puede leerse el artículo intitulado Multiscale geometric design principles applied to 3D printed schwarzitas (doi: 10.1002/adma.201704820), de Seyed Mohammad Sajadi, Peter Samora Owuor, Steven Schara, Cristiano F. Woellner, Varlei Rodrigues, Robert Vajtai, Jun Lou, Douglas S. Galvão, Chandra Sekhar Tiwary y Pulickel M. Ajayan, en la revista Advanced Materials, en el siguiente enlace: onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704820/abstract.