Casi todos los materiales sólidos, desde el caucho y el vidrio hasta el granito y el acero, se expanden inevitablemente cuando se calientan. Solo en casos muy raros, ciertos materiales contrarrestan esta tendencia termodinámica y se encogen con el calor. Por ejemplo, el agua fría se contraerá cuando se caliente entre 0 y4 grados centígrados, antes de expandirse.
Los ingenieros del MIT, la Universidad del Sur de California y otros lugares ahora están agregando a esta curiosa clase de materiales termocontraíbles. El equipo, dirigido por Nicholas X. Fang, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, ha fabricado pequeños,Estructuras en forma de estrella a partir de vigas o armaduras interconectadas. Las estructuras, cada una del tamaño de un cubo de azúcar, se encogen rápidamente cuando se calientan a aproximadamente 540 grados Fahrenheit 282 C.
Las armaduras de cada estructura están hechas de materiales típicos que se expanden con el calor. Fang y sus colegas se dieron cuenta de que estas armaduras, cuando se colocan en ciertas arquitecturas, pueden jalar la estructura hacia adentro, haciendo que se encoja como una esfera Hoberman: una bola de juguete plegablehecho de celosías y juntas interconectadas.
Los investigadores consideran que las estructuras son "metamateriales" - materiales compuestos cuyas configuraciones exhiben propiedades extrañas, a menudo contradictorias, que normalmente no se encuentran en la naturaleza.
En algunos casos, la resistencia de estas estructuras a la expansión cuando se calienta, en lugar de su respuesta de contracción per se, puede ser especialmente útil. Tales materiales podrían encontrar aplicaciones en chips de computadora, por ejemplo, que pueden deformarse y deformarse cuando se calientan durantelargos períodos de tiempo
"Las placas de circuito impreso pueden calentarse cuando hay una CPU en funcionamiento, y este calentamiento repentino podría afectar su rendimiento", dice Fang. "Así que realmente debe tener mucho cuidado al tener en cuenta este estrés o choque térmico".
Los investigadores han publicado sus resultados en la revista Cartas de revisión física . Los coautores de Fang incluyen el ex postdoc MIT Qi Ge, junto con el autor principal Qiming Wang de la Universidad del Sur de California, Jonathan Hopkins de la Universidad de California en Los Ángeles, y Julie Jackson y Christopher Spadaccini del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore LLNL.
ingredientes de impresión
A mediados de la década de 1990, los científicos propusieron estructuras teóricas cuya disposición debería exhibir una propiedad llamada "expansión térmica negativa", o NTE. La clave de la disposición fue construir estructuras tridimensionales tipo celosía a partir de dos tipos de materiales,cada uno con un coeficiente NTE diferente, o tasa de expansión al calentarse. Cuando toda la estructura se calienta, un material debe expandirse más rápido y tirar del otro material hacia adentro, reduciendo toda la estructura como resultado.
"Estos documentos teóricos hablaban de cómo este tipo de estructuras realmente podrían romper el límite convencional de expansión térmica", dice Fang. "Pero en ese momento, estaban limitados por cómo se hicieron las cosas. Ahí es donde vimos esto como unmuy buena oportunidad para que la microfabricación demuestre este concepto "
El laboratorio de Fang ha sido pionero en una técnica de impresión en 3-D llamada microstereolitografía, en la cual los investigadores usan la luz de un proyector para imprimir estructuras muy pequeñas en resina líquida, capa por capa.
"Ahora podemos usar el sistema de microstereolitografía para crear un metamaterial termomecánico que permita aplicaciones que antes no eran posibles", dijo Spadaccini, quien es el director del Centro de Materiales y Fabricación de Ingeniería de LLNL. "Tiene propiedades termomecánicas que no se pueden obtener en masa convencional".materiales "
"Podemos tomar la misma idea que una impresora de inyección de tinta e imprimir y solidificar diferentes ingredientes, todos en la misma plantilla", dice Fang.
Inspirándose en el marco general propuesto previamente por los teóricos, Fang y sus colegas imprimieron pequeñas estructuras tridimensionales en forma de estrella hechas de vigas interconectadas. Fabricaron cada viga a partir de uno de dos ingredientes: una rígida y lentaexpandir el material que contiene cobre y una sustancia polimérica más elástica y de rápida expansión. Las vigas internas estaban hechas del material elástico, mientras que las armaduras externas estaban compuestas de cobre rígido.
"Si tenemos la colocación adecuada de estas vigas y celosías, incluso si cada componente individual se expande, debido a la forma en que se tiran entre sí, la red global podría reducirse", dice Fang.
"El problema que estamos tratando es un problema de desajuste térmico", dice Wang. "Estos materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, por lo que una vez que aumentamos la temperatura, interactúan entre sí y tiran hacia adentro, por lo que el volumen general de la estructura disminuye"
"Espacio para experimentar"
Los investigadores pusieron a prueba sus estructuras compuestas colocándolas dentro de una pequeña cámara de vidrio y aumentando lentamente la temperatura de la cámara, desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 540 grados Fahrenheit. Observaron que a medida que la estructura se calentaba, primero mantenía su forma inicial, luego se dobló gradualmente hacia adentro, disminuyendo de tamaño.
"Se reduce en aproximadamente una parte en mil, o alrededor de 0.6 por ciento", dice Fang. Si bien eso puede no parecer significativo, Fang agrega que "el hecho de que se reduce es impresionante". Para la mayoría de las aplicaciones, Fang dice que los diseñadorespuede simplemente preferir estructuras que no se expanden cuando se calientan.
Además de sus experimentos, los investigadores desarrollaron un modelo computacional para caracterizar las relaciones entre las vigas de interconexión, los espacios entre las vigas y la dirección y el grado en que se expanden con calor. Los investigadores pueden controlar cuánto se estructurará una estructuracontraiga ajustando dos "perillas" principales en el modelo: las dimensiones de las vigas individuales y su rigidez relativa, que está directamente relacionada con la tasa de expansión de calor de un material.
"Ahora tenemos un método de ajuste para colocar digitalmente componentes individuales de diferente rigidez y expansión térmica dentro de una estructura, y podemos obligar a una viga o sección particular a desviarse o extenderse de la manera deseada", dice Fang. "Hay espacioexperimentar con otros materiales, como los nanotubos de carbono, que son más fuertes y livianos. Ahora podemos divertirnos más en el laboratorio explorando estas diferentes estructuras ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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