Ahora, los investigadores han desarrollado un método para crear materiales parecidos al nácar en el laboratorio. Estos materiales nuevos tienen propiedades mecánicas similares a las aleaciones de metal y son las cerámicas más resistentes jamás hechas. El método nuevo podría indicar el camino hacia materiales con la estructura de la cerámica para edificios de energía eficiente y armazones livianos pero elásticos para automóviles.
El nácar, también conocido como madreperla combina placas de carbonato cálcico, fuerte pero quebradizo, con un adhesivo blando de proteína, en una estructura semejante al ladrillo y mezcla, que es 3000 veces más resistente que cualquier otro elemento. Habitualmente, cuando los científicos hacen compuestos en el laboratorio, las propiedades del material resultante promedian la de los componentes. “Cuando la naturaleza crea compuestos, las propiedades son mejores”, dice el presidente del Departamento de Ingeniería y Ciencia de Materiales de la Universidad de Califo ia, Berkeley, Robert Ritchie, quien co-dirigió la investigación sobre cerámica. Eso se debe a que los compuestos de la naturaleza tienen estructuras complejas que son difíciles de imitar. “Las personas lo han intentado pero no pueden conseguir la precisión de la estructura”, comenta.
Durante años, los científicos han intentando crear materiales nuevos basándose en materiales naturales resistentes como el nácar y el hueso. La cerámica de Berkeley “realmente demuestra que inspira os en la naturaleza para sintetizar mejor los materiales puede ser muy exitoso”, comenta Julia Greer, una científica de materiales en Cal Tech.
Para transformar sus cerámicas en estructuras parecidas al nácar, los investigadores de Berkeley primero crean una suspensión de agua del material que será moldeado, en este caso óxido de aluminio. Luego la enfrían de un modo muy controlado. Ritchie explica que: “Se extrae el calor de un lado”. Esto crea estructuras largas y delgadas que los investigadores prensan para crear estructuras semejantes a ladrillos a micro-escala después de calentarlas para evaporar el agua. Al repetir el proceso, se crea una estructura porosa, en capas, de ladrillos de óxido de aluminio, interconectados por estructuras semejantes a columnas – las mismas formas que hallamos en el nácar natural. Luego, para imitar la proteína adherente de la concha de las orejas marinas, los investigadores rellenan los espacios con un polímero. Este proceso está descrito en línea en la publicación Science de esta semana. Otros grupos han creado películas delgadas de materiales bio-miméticos-El grupo de Berkeley logró hacerlo en piezas grandes.
nSin la amortiguación del polímero, los ladrillos serían quebradizos, como la mayoría de las cerámicas. Pero el polímero permite que las capas semejantes a ladrillos se deslicen una sobre otra al recibir tensión, logrando que el material sea resistente a las fracturas. De hecho, esta estructura de ladrillos y argamasa es más resistente que cualquier otra cerámica creada en el laboratorio. “Una gran fuerza y una gran resistencia generalmente no son compatibles” en una cerámica, comenta Erich Stach, un ingeniero de materiales en la Universidad de Purdue que no estaba involucrado en el estudio de Berkeley. Pero las cerámicas creadas en Berkeley tienen la fuerza y resistencia de las aleaciones de aluminio, “con las cuales se puede volar en aviones”, agrega Stach.
Aunque advierten que las cerámicas semejantes al nácar están en etapas tempranas de desarrollo, los investigadores de Berkeley dicen que los materiales pueden dar posibles aplicaciones a las cerámicas que eran imposibles de lograr. “Podrías utilizar cerámicas para fabricar la carrocería de un coche en vez de acero y ahorrar combustible”, según Ritchie. Antoni Tomsia, un científico de materiales del Laboratorio Lawrence de Berkeley que codirigió la investigación, dice que las cerámicas resistentes, que son buenas aislantes, podrían realizar una doble tarea como elementos estructurales en edificios de energía eficiente. Y que también podrían usarse para chalecos antibalas livianos y blindaje de vehículos militares.
Los científicos de materiales dicen que el estudio nuevo muestra el futuro de los materiales bio-miméticos resistentes. Paul Hansma, profesor de física en la Universidad de Califo ia en Santa Bárbara, dice que el estudio es “sorprendente” y que el rendimiento de las cerámicas nuevas “supera las expectativas de este campo importante”.
Ritchie y Tomsia confían en que pueden mejorar más el material. El nácar natural tiene estructuras cerámicas de un orden de magnitud más pequeño que las del material de Berkeley, así como una proporción mayor de ladrillos respecto a la mezcla. Ritchie dice que el grupo está trabajando para hacer que los ladrillos de cerámica sean más pequeños, que estén más agrupados y que el contenido de polímero sea menor. También están experimentando con distintas mezclas. Debido a que la cerámica recién desarrollada contiene un polímero adhesivo, fallaría en ento os de alta temperatura como en el interior de un motor. Así que los investigadores de Berkeley están experimentando con rellenos a base de metal, que puedan soportar temperaturas más altas.