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Un nuevo material superfuerte y ligero

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Las nanoestructuras cerámicas se podrían usar para construir aviones y baterías más resistentes y ligeros

  • por Katherine Bourzac | traducido por Lía Moya
  • 15 Septiembre, 2014

Foto: Una imagen del nuevo material tomada mediante un microscopio de barrido de electrones revela su estructura de nanocelosías cerámicas.

Un nuevo tipo de material, formado por tirantes a nanoescala cruzados como las vigas de una diminuta torre Eiffel, es una de las sustancias más fuertes y ligeras que se haya fabricado jamás.

Si los investigadores son capaces de saber cómo fabricarlo en grandes cantidades, se podría usar como material estructural para fabricar aviones, camiones y electrodos de batería.

Investigadores dirigidos por la científica de materiales del Instituto de Tecnología de California, Julia Greer, descubrieron que gracias a un cuidadoso diseño de los tirantes y las uniones a nanoescala, podían fabricar cerámica, metales y otros materiales capaces de recuperarse después de verse aplastados, como una esponja. Los materiales son muy fuertes y lo suficientemente ligeros como para flotar por el aire como una pluma. El trabajo lo acaba de publicar la revista Science.

En los materiales convencionales, la fuerza, el peso y la densidad están correlacionados. La cerámica, por ejemplo, es fuerte pero también pesada así que no se puede usar como material estructural, en el que el peso es un factor clave, en las carrocerías de los coches por ejemplo. Y cuando la cerámica falla tiende a fallar de forma catastrófica, rompiéndose en mil pedazos como el cristal.

Pero en la nanoescala no operan las mismas reglas. En esta escala las propiedades estructurales y mecánicas de la cerámica están menos relacionadas con propiedades como el peso y se pueden variar con mayor precisión.

"En el caso de la cerámica, cuanto más pequeño, más resistente", explica Greer, que fue una de los 35 Innovadores Menores de 35 de MIT Technology Review en 2008, por su trabajo sobre la mecánica a nanoescala. Esto significa que los tirantes a nanoescala hechos de materiales cerámicos pueden ser a la vez muy ligeros -algo que no sorprende ya que son prácticamente aire- y extremadamente fuertes.

En 2011, trabajando con investigadores de HRL Laboratories, una empresa privada de investigación en ingeniería, Greer creó uno de los materiales más ligeros que se hayan hecho nunca, una microcelosía de tubos metálicos huecos. Después eligió enfrentarse a un reto mayor: hacer cerámica con propiedades parecidas. Para ello tuvo que refinar las estructuras a nanoescala, lo que significa que los materiales son aún más difíciles de producir.

Para hacer los nanotirantes de cerámica, el laboratorio de Greer usa una técnica llamada litografía de interferencia con dos fotones. Se parece a una impresora láser 3D de muy baja producción.

Primero usan este método para crear la estructura deseada, una celosía, con un polímero. La celosía de polímero se cubre a continuación con una cerámica como la alúmina. Usando plasma de oxígeno se graba el polímero, quemándolo, y dejando una celosía de tubos cerámicos huecos.

El laboratorio de Greer ha comprobado que cambiando el grosor de las paredes del tubo se puede controlar el punto de fallo del material. Cuando las paredes son gruesas la cerámica se rompe bajo presión como cabría esperar. Pero los tirantes con paredes más finas, de apenas 10 nanómetros, se doblan bajo presión y después recuperan su forma original.

"No esperas que estos materiales recuperen su forma, esperan que se quiebren y rompan", afirma el ingeniero especializado en fabricación de materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía de Estados Unidos en California, Christopher Spadaccini.

Los nuevos materiales podrían ser especialmente interesantes para su uso en baterías, según señala el ingeniero mecánico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Nicholas Fang, quien también trabaja en nanoestructuras cerámicas. Las nanoestructuras tienen una superficie muy grande y son ligeras, una combinación que podría servir para crear una batería de carga rápida que almacenase mucha energía en un paquete muy práctico. De hecho, Greer afirma que está colaborando con la empresa alemana de electrónica, Bosch, para aplicar sus diseños a las baterías de ión-litio.

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