Investigadores de Helmholtz-Zentrum Geesthacht y la Universidad Tecnológica de Hamburgo han desarrollado un nuevo enfoque de diseño de materiales para futuros materiales ultraligeros: puntales metálicos de tamaño nanométrico que forman redes anidadas en niveles jerárquicos separados, proporcionando una gran resistencia.
El término “jerárquico” describe el enfoque de ingeniería de un arreglo abierto de vigas más grandes arriostradas por otras más pequeñas, similar a la estructura de la Torre Eiffel.
Según los científicos, desde hace varios años, los investigadores han tratado de transferir este enfoque eficiente a la microestructura interna de los materiales, por ejemplo, mediante el uso de impresoras 3D que pueden replicar estructuras de vigas de ingeniería en una escala micrométrica.
Sin embargo, las impresoras 3D solo pueden imprimir un máximo de , vigas, no es realmente una opción viable.
A pesar de esta limitación, el equipo con sede en Alemania comenzó a pensar en lo que se podría hacer si los haces se fortalecieran reduciéndolos a unos pocos nanómetros de diámetro. Creían que estos rayos podrían proporcionar la base para un nuevo tipo de material, excepcionalmente ligero y, al mismo tiempo, fuerte.
Si se utilizan otros metales, el material podría resultar interesante en nuevos conceptos para vehículos más ligeros y por tanto más eficientes energéticamente
Sin embargo, dicho material tendría que contener billones de haces, superando con creces la capacidad incluso de la impresora más sofisticada. “Es por eso que tenemos que engañar a la naturaleza para que haga este tipo de materiales para nosotros, simplemente por autoorganización”, Shan Shi, quien dirigió la investigación , dijo en un comunicado de prensa.
Para empezar, el equipo utilizó una aleación de 93% de plata y 7% de oro. Esta aleación se sumergió en ácido sulfúrico diluido, disolviendo aproximadamente la mitad de la plata. Como resultado, el material restante se reorganizó, formando una delicada red de haces a nanoescala.
Posteriormente, el material se sometió a un tratamiento térmico a varios cientos de grados, lo que engrosó la red a un tamaño de haz de 150 nanómetros manteniendo la arquitectura original.
Durante el último paso, se usó ácido para lavar el resto de la plata, dejando solo rayos de oro con un tamaño de poro de 15 nanómetros en promedio. El resultado fue un material estructurado jerárquicamente con dos tamaños de haz claramente diferentes y cuya estructura de red abierta hace que se componga de 20 a 90% de aire, dándole una densidad de solo 10 a 20% del metal sólido.
«En vista de la baja densidad de este material, muestra valores excepcionalmente altos para parámetros mecánicos clave como la resistencia y el módulo elástico», dijo Jörg Weißmüller, coautor del estudio sobre estos hallazgos. publicado en Ciencias . “Hemos eliminado gran parte de la masa y dejado muy poco, pero el material es mucho más resistente que lo que ha sido hasta ahora”.
Weißmüller dijo que esto demuestra por primera vez que una estructura jerárquica puede ser beneficiosa no solo para estructuras de armadura de ingeniería macroscópica como la Torre Eiffel, sino también para materiales de red livianos.
El investigador reconoció que el nuevo material aún no es adecuado para aplicaciones en la construcción ligera, ya que el oro es simplemente demasiado caro, demasiado pesado y demasiado blando para ese propósito. Sin embargo, el enfoque de diseño posiblemente podría transferirse a otros metales tecnológicamente más relevantes como el aluminio, el magnesio o el titanio.
“Parece completamente factible fabricar alambres o incluso láminas enteras de metal mediante nuestro proceso”, dijo Weißmüller. “En ese momento, el material se volverá interesante en escenarios de la vida real, por ejemplo, en nuevos conceptos para vehículos más livianos y, por lo tanto, más eficientes energéticamente”.
