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TR10: Nanoarquitectura que desafía las leyes de la naturaleza

Una científica de Caltech crea diminutas estructuras con un potencial enorme. Su reto: llevar la producción a gran escala

  • por Katherine Bourzac | traducido por Lía Moya
  • 20 Febrero, 2015

Avance

Materiales cuyas estructuras se pueden diseñar a medida para ser fuertes pero flexibles y muy ligeros.

Por qué importa

Materiales estructurales más ligeros serían más eficientes energéticamente y versátiles.

Disponibilidad

De tres a cinco años.

Actores Clave

  • Julia Greer, Caltech
  • William Carter, Laboratorios HRL
  • Nicholas Fang, Instituto de Tecnología de Massachusetts
  • Christopher Spadaccini, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

Visitar el laboratorio en el Instituto de Tecnología de California (Caltech por sus siglas en inglés, EEUU) de la científica de los materiales Julia Greer es entrar en un reino en el que las reglas habituales de la física parecen no cumplirse. Greer diseña y construye nanomateriales que se comportan de forma sorprendente para quienes nos pasamos el día en un mundo en el que materiales fuertes como la cerámica y el acero tienden a ser pesados, mientras que los materiales ligeros son débiles. Cuando es Greer quien controla la arquitectura de los materiales a nanoescala, las reglas cambian.

Foto: Greer en su laboratorio de Caltech con una maqueta de la estructura atómica de un metal en la mano.

La cerámica convencional es fuerte, pesada y (como sabrá cualquier al que se le haya caído un plato, es quebradiza con tendencia a romperse). Pero el año pasado Greer creó una cerámica que es una de las sustancias más fuertes y ligeras que se haya creado jamás. Además no es quebradiza. En un vídeo hecho por Greer, un cubo de material tiembla un poco mientras un aparato de laboratorio lo aplasta con fuerza y acaba colapsándose. Cuando se retira la presión vuelve a levantarse "como un soldado herido", afirma. "Es irreal, ¿verdad?". Greer suele ir de un lado a otro del campus con patines en línea y habla tan rápido que te exige concentrarte en lo que dice.  Cuando aparece esta nanoestructura en la pantalla de su ordenador, se frena un poco.

Si se pudieran producir materiales como el de Green en grandes cantidades, podrían sustituir a compuestos y otros materiales que se usan en una amplia gama de aplicaciones porque serían igual de resistentes con una fracción del peso. Otra posible aplicación sería aumentar mucho la densidad energética de las baterías, la cantidad de energía que pueden almacenar con un tamaño dado. Para conseguirlo, los investigadores han intentado desarrollar electrodos más ligeros que los que usan las baterías actuales pero capaces de almacenar más energía. Sin embargo materiales prometedores para los electrodos como el silicio, tienen tendencia a quebrarse bajo presión. Un electrodo fabricado cubriendo una nanoestructura de metal con silicio podría incluir la resistencia a las rajas en su propia estructura. La clave para crear materiales maravillosos de este tipo es un arsenal de máquinas especializadas, algunas de ellas reconstruidas por Greer, para servir a sus propósitos, que permiten un control preciso de las estructuras a nanoescala sobre áreas relativamente grandes.

Greer baja al trote las dos plantas que hay hasta el sótano que acoge el laboratorio donde alberga estos instrumentos de precisión para aislarlos de las vibraciones. Una máquina, oculta tras dos pesadas cortinas negras, es una especie de impresora 3D que usa flashes de luz láser para construir andamios de polímero muy despacito. Un alumno de Greer cubre el polímero con metal, cerámica u otros materiales y a continuación lima los laterales para poder extraer el polímero del interior. El resultado es un bloquecito de material hecho de andamios a nanoescala cruzados como los montantes de la torre Eiffel, pero las paredes de cada uno miden apenas 10 nanómetros de espesor.

Sin el método de Greer, construir algo así es imposible. Me muestra un ejemplo surgido de una colaboración anterior con investigadores de los laboratorios HRl en Malibú, California (EEUU) que están produciendo materiales con montantes más grandes, a microescala. Está hecho de níquel y se parece un poco a un estropajo de metal. Cuando me lo coloca sobre la palma de la mano apenas lo noto asentarse, y esta subversión de mis expectativas confunde. Este metal es, literalmente, más ligero que una pluma. Podría servir para producir un aislamiento termal ultraligero, una aplicación que investigan sus colegas en HRL.

Este níquel ultraligero sirve de demostración de las posibilidades de control arquitectónico para fabricar nuevos materiales con propiedades extrañas. Pero también sirve de recordatorio de cuánto le queda a Greer por escalar sus métodos: por el momento no es capaz de fabricar siquiera un puñado de material con nanoestructuras.

Greer está decidida a usar sus métodos de nanofabricación para toda una variedad de materiales y hay una larga lista de colaboradores a los que les interesan sus inusuales propiedades. Puede espaciar las paredes a nanoescala en materiales emisores de luz o aislamiento térmico para controlar con precisión el flujo de la luz o el calor. Está trabajando con dos fabricantes de baterías para usar sus nanoestructuras para estudiar la electroquímica. Y se ha aliado con biólogos para ver si las nanoestructuras de cerámica pudieran servir de andamio para cultivar huesos, como los huesos diminutos que contiene el oído y cuya degeneración produce sordera.

Con la esperanza de hacer que este tipo de aplicaciones sea factible, trabaja para acelerar el proceso de impresión láser de alta resolución. Greer cuenta con un trocito de seis milímetros cuadrados de la cerámica nanoestructurada que creó el año pasado. Tiene el espesor de una hoja de papel, pero se tardó una semana en fabricarlo. "Para hacer experimentos científicos no necesitamos una cantidad muy grande", afirma. "La pregunta es: ¿Cómo escalas la producción de esto?".

Katherine Bourzac

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