Los ingenieros de la Universidad de Rice están utilizando impresoras 3-D para convertir las estructuras que hasta ahora habían existido principalmente en teoría en materiales fuertes, ligeros y duraderos con patrones complejos y repetitivos.
Las estructuras porosas llamadas schwarzitas están diseñadas con algoritmos informáticos, pero los investigadores de Rice descubrieron que podían enviar datos de los programas a las impresoras y hacer modelos de polímeros a escala macro para probar. Sus muestras se esfuerzan por utilizar la menor cantidad de material posible y aún así proporcionan resistencia ycompresibilidad.
Los resultados reportados en Materiales avanzados son obras de arte que algún día pueden conducir a dispositivos electrónicos a nanoescala, catalizadores, tamices moleculares y componentes de baterías, y en la macroescala podrían convertirse en componentes resistentes a impactos y de alta carga para edificios, automóviles y aviones.
Tal vez algún día sea posible, dijeron, imprimir un edificio entero como un "ladrillo" de schwarzita
Schwarzites, llamado así por el científico alemán Hermann Schwarz, quien planteó la hipótesis de las estructuras en la década de 1880, son maravillas matemáticas que han inspirado una gran cantidad de construcciones y materiales orgánicos e inorgánicos. El descubrimiento en Rice del buckminsterfullereno o buckyball ganador del Premio Nobel proporcionó más inspiración a los científicos para explorar el diseño de formas tridimensionales a partir de superficies bidimensionales.
Tales estructuras permanecieron teóricas hasta que las impresoras 3-D proporcionaron la primera forma práctica de hacerlas. El laboratorio de materiales de Rice, el científico Pulickel Ajayan, en colaboración con investigadores de la Universidad de Campinas, São Paulo, investigó la construcción ascendente de schwarzitas.a través de simulaciones de dinámica molecular y luego imprimió esas simulaciones en forma de cubos de polímero.
"Las geometrías de estos son realmente complejas; todo es curvo, las superficies internas tienen curvatura negativa y las morfologías son muy interesantes", dijo el investigador postdoctoral de Rice Chandra Sekhar Tiwary, quien dirigió un estudio anterior que mostró cómo las conchas marinas protegen los cuerpos blandos depresión extrema al transferir el estrés a través de sus estructuras.
"Las estructuras de Schwarzita son muy parecidas", dijo. "La teoría muestra que a escala atómica, estos materiales pueden ser muy fuertes. Resulta que hacer que la geometría sea más grande con el polímero nos da un material con una carga alta-capacidad de carga."
Schwarzites también mostró excelentes características de deformación, dijo. "La forma en que se rompe un material es importante", dijo Tiwary. "No quieres que las cosas se rompan catastróficamente; quieres que se rompan lentamente. Estas estructuras son hermosas porque siaplica fuerza a un lado, se deforman lentamente, capa por capa.
"Puedes hacer un edificio completo con este material, y si algo cae sobre él, se derrumbará lentamente, por lo que lo que está adentro estará protegido", dijo.
Debido a que pueden tomar una variedad de formas, el equipo de Rice limitó su investigación a estructuras primitivas y giroideas, que tienen superficies mínimas periódicas tal como fueron concebidas originalmente por Schwarz. En las pruebas, ambas transfirieron cargas a través de toda la geometría de las estructuras sin importar quéel lado estaba comprimido, lo que era cierto en las simulaciones a nivel de átomo, así como en los modelos impresos.
Eso fue inesperado, dijo Douglas Galvão, profesor de la Universidad de Campinas que estudia nanoestructuras a través de simulaciones de dinámica molecular. Sugirió el proyecto cuando Tiwary visitó el campus de Brasil como investigador a través de la American Physical Society y la Brazilian Physical Society.
"Es un poco sorprendente que algunas características a escala atómica se conserven en las estructuras impresas", dijo Galvão. "Discutimos que sería bueno si pudiéramos traducir los modelos atómicos de schwarzita en estructuras impresas en 3-D. Después de algunas tentativas, funcionó bastante bien. Este artículo es un buen ejemplo de una colaboración efectiva entre teoría y experimento ".
Los investigadores dijeron que su próximo paso será refinar las superficies con impresoras de mayor resolución y minimizar aún más la cantidad de polímero para hacer los bloques aún más livianos. En el futuro lejano, imaginan imprimir schwarzitas 3-D con materiales cerámicos y metálicosen una escala mayor.
"No hay razón para que sean bloques", dijo el coautor y estudiante graduado de Rice Peter Owuor. "Básicamente estamos haciendo cristales perfectos que comienzan con una sola célula que podemos replicar en todas las direcciones".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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