Duro como el acero, ligero como el papel: el nuevo material nanotecnológico

Las tremendas temperaturas de los reactores de fusión nuclear o la conquista del espacio exterior son campos en los que el desarrollo de nuevos materiales ha pasado a ser una exigencia de primer orden. Y es muy probable que la respuesta resida en la nanotecnología, tal como demuestra el innovador material presentado recientemente por un consorcio formado por el MIT y Caltech (el Instituto Tecnológico de California) en EE. UU. junto con ETH Zürich en Suiza.   

La principal propiedad de este nuevo material es su gran resistencia combinada con una ligereza inédita. Concretamente, los investigadores indican que será mucho más resistente que el kévlar o el acero, lo que permitiría utilizarlo en ropa de protección o en revestimientos de objetos y estructuras.

Para lograrlo, han recurrido a un diseño con patrones de nanocarbono que confieren la resistencia al material, una técnica conocida como nanoarquitectura. Posteriormente, lo han llevado al laboratorio para someterlo a un inclemente bombardeo de micropartículas a la velocidad del sonido. Al final del artículo puedes ver una secuencia de impacto de una micropartícula en una serie de instantáneas.

La estructura del material se ha creado por medio de una técnica de litografía de dos fotones. Fundamentalmente, se trata de emplear un rayo láser para solidificar una resina fotosensible, dotándola de la estructura deseada. Se trata de hacer, a nanoescala, algo parecido a lo que contábamos en este artículo sobre impresión 3D con luz.

El resultado es una especie de cota de malla microscópica con una estructura conocida como tetracaidecaedro, un poliedro de catorce caras. Este tipo de geometría se había utilizado anteriormente en espumas mitigadoras de energía.

Al llevarlo al terreno de la nanoescala y dotarlo de esta forma, el carbono, que normalmente es un material quebradizo, se vuelve flexible. Y, tal como concluye el Talmud judío, es preferible ser flexible como el junco antes que rígido como el ciprés. Sobre todo si sufres un impacto a mil metros por segundo.

 

Un bombardeo supersónico

Una vez desarrollada esta nanoarquitectura, se comprobó su resistencia a los impactos en el laboratorio de Caltech. El “cañón” empleado fue un láser ultrarrápido proyectado sobre una lámina de cristal con una fina capa de oro que, a su vez, estaba revestida con micropartículas de óxido de silicio.

Cuando el láser atraviesa la lámina se genera un plasma que impulsa las partículas de silicio a una velocidad supersónica. Un poco como cuando uno se desploma en un sofá donde hay un vaso de café apoyado y todo el líquido sale despedido. 

A efectos de los experimentos, se probó con un rango de velocidades situado entre los cuarenta y los mil cien metros por segundo. Para formarse una idea de la velocidad de estas partículas, basta con recordar que la velocidad del sonido se sitúa en trescientos cuarenta metros por segundo y que la bala de un fusil viaja con una velocidad de entre seiscientos y mil metros por segundo.  

Los investigadores grabaron los impactos con una cámara de alta velocidad y el resultado puede verse en el GIF contiguo. La nanoarquitectura demostró resistir los impactos deformándose y compactándose en el área afectada. Y, cuanto más denso era el material, mejor resistía las partículas supersónicas.

Un modelo basado en el impacto de los meteoritos

Las pruebas se han llevado a cabo con micropartículas lanzadas sobre una muestra de un grosor inferior al de un pelo humano, pero los principios físicos son los mismos que los aplicados en la modelización de los impactos de meteoritos a gran escala.

En el experimento se recurrió al teorema Buckingham II, un marco de análisis dimensional empleado para caracterizar impactos planetarios. Este tipo de análisis conjuga características físicas como la velocidad del meteorito y la resistencia de la superficie del planeta para calcular la “eficiencia de craterización”. Es decir, la probabilidad de que el meteorito penetre en la superficie.

Este modelo les permitió predecir el efecto de los impactos con una gran precisión. Es más, según los investigadores, este tipo de marco de análisis es extensible a otros nanomateriales a la hora de comprobar su resistencia y resiliencia.

Fuentes: SciTech Daily

Imágenes: MIT