Los ingenieros Mike Xie y Jiaming Ma con un modelo impreso en 3D del material Omicrono
Adiós al acero y al hormigón: el novedoso material que copia a las esponjas marinas para ser ligero, flexible y muy resistente
Un equipo de ingenieros ha desarrollado un diseño de doble celosía que ofrece propiedades únicas de compresión y absorción de energía.
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Miles de especies de plantas, animales y hasta hongos han demostrado una capacidad de adaptación asombrosa a lo largo de millones de años. De eso se aprovechan ciencias como la biomimética, que estudia la naturaleza como fuente de inspiración de tecnologías innovadoras, con todo tipo de aplicaciones en distintos sectores. En los últimos años hemos visto distintos avances en ese sentido, desde un tejido inspirado en los armadillos que se vuelve rígido o blando según se necesite hasta pinturas refrigerantes basadas en las propiedades de las alas de ciertas especies de mariposas.
En esa misma línea, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería del RMIT (Melbourne, Australia) se han fijado en las características únicas de una esponja de mar para diseñar un nuevo material con gran resistencia a la compresión. El avance, testeado con simulaciones por ordenador y pequeños ensayos en el laboratorio, puede tener diversas aplicaciones. A pequeña escala, puede revolucionar desde artículos deportivos hasta dispositivos médicos, pero a gran escala tiene el potencial de cambiar para siempre el sector de la construcción, permitiendo reducir el uso del acero y el hormigón y mejorando la resistencia de edificios e infraestructuras a los seismos.
En un estudio publicado en la revista científica Composite Structures, el equipo dirigido por el ingeniero Jiaming Ma describe cómo han desarrollado el material BLS (siglas en inglés de estructura reticular bioinspirada) inspirándose en el esqueleto de una esponja conocida como cesta de flores de Venus, especie muy extendida en las aguas profundas del océano Pacífico.
La estructura de celosía de la espona cesta de Venus Omicrono
Imitando el patrón de doble celosía de la esponja, el diseño obtenido gracias a una impresora 3D demostró sorprendentes comportamientos auxéticos, que se refiere a su capacidad de contraerse cuando se comprime. "Mientras que la mayoría de los materiales adelgazan al estirarse o engordan al aplastarse, como el caucho, los auxéticos hacen lo contrario", explica Ma en un comunicado de prensa. Estos materiales "pueden absorber y distribuir eficazmente la energía del impacto, lo que los hace extremadamente útiles".
Los resultados obtenidos, afirman los investigadores, "demuestran que el BLS tiene el potencial de ser pionero en una nueva clase de materiales auxiliares, ofreciendo propiedades mecánicas superiores y una amplia aplicabilidad en campos de la ingeniería que requieren una mayor absorción de energía y rigidez estructural bajo carga compresiva".
Esponjas de mar
La Euplectella aspergillum, conocida como la cesta de flores de Venus, ha llamado la atención recientemente por las insólitas propiedades de su sistema esquelético mineralizado. Esta prima lejana de Bob Esponja cuenta con unos elementos vítreos llamados espículas, dispuestos en una cuadrícula uniforme reforzada por dos conjuntos de puntales diagonales. Así, el singular esqueleto del animal crea un patrón de damero en el que se alternan células abiertas y cerradas, lo que le confiere sus sorprendentes propiedades de resistencia y flexibilidad.
Su estructura es la base de sus propiedades auxéticas, las mismas presentes en fibras naturales como los tendones humanos o la piel de los gatos. También existen materiales auxéticos sintéticos, utilizados para la fabricación de stents cardiacos y vasculares, los diminutos tubos que se colocan en un vaso sanguíneo o arteria para eliminar obstrucciones gracias a su capacidad para expandirse y contraerse.
Lo que buscaban los investigadores del RMIT es superar algunas limitaciones de estos materiales, como su escasa rigidez o limitada capacidad de absorción de energía. Para ello, estudiaron y replicaron el diseño de doble celosía del esqueleto de esta especie de esponjas. "Cada celosía por sí sola tiene un comportamiento de deformación tradicional, pero si se combinan como hace la naturaleza en la esponja de las profundidades marinas, entonces se regula y mantiene su forma, superando a materiales similares por un margen bastante significativo", explica Jiaming Ma.
Para comprobar las propiedades mejoradas del nuevo diseño, los ingenieros utilizaron simulaciones por ordenador y fabricaron una muestra impresa en 3D con poliuretano termoplástico para ponerla a prueba en el laboratorio. Según los resultados, el entramado de BLS es 13 veces más rígido que los materiales auxiliares existentes, basados en diseños de panal reentrante.
Menos acero y hormigón
Con la misma cantidad de material, también fue capaz de absorber un 10% más de energía manteniendo su comportamiento auxético con un rango de deformación un 60% mayor que los diseños existentes. "Nuestro metamaterial auxético, de gran rigidez y absorción de energía, podría ofrecer importantes ventajas en múltiples sectores, desde materiales de construcción hasta equipos de protección y equipamiento deportivo o aplicaciones médicas", explicó Ngoc San Ha, otro de los participantes en la investigación.
Según los investigadores, esta estructura de celosía podría servir como armazón de un edificio, reduciendo drásticamente la cantidad de acero y hormigón necesarios para conseguir unas propiedades estructurales similares. De hecho, ya están preparando la producción de versiones de acero del diseño. Aplicándolo a estructuras de hormigón y tierra apisonada, esperan poder levantar edificios más duraderos y resistentes.
La estructura de doble celosía (izquierda) consigue mejores resultados que el diseño estándar de panal (derecha). Omicrono
"Estamos desarrollando un material de construcción más sostenible utilizando la combinación única de auxeticidad, rigidez y absorción de energía de nuestro diseño para reducir el uso de acero y cemento en la construcción", señala Ma. "Sus características auxéticas y de absorción de energía también podrían ayudar a amortiguar las vibraciones durante los terremotos".
Aún quedan retos por superar, como la fabricación a escala del BLS, pero también un importante margen de mejora, ya que la capacidad de absorción de energía puede incrementarse aumentando el grosor de los elementos estructurales o la distancia entre las barras diagonales dobles. Para lograrlo, los investigadores planean utilizar métodos analíticos y algoritmos de aprendizaje automático con el fin de "establecer correlaciones programables entre las características geométricas del BLS y sus propiedades mecánicas".
