Lo más ligero posible y lo más resistente posible al mismo tiempo. Estos son los requisitos para los materiales ligeros modernos, como los que se utilizan en la construcción de aeronaves y la industria automotriz. Un equipo de investigación ha desarrollado un nuevo enfoque de diseño de materiales parafuturos materiales ultraligeros: puntales metálicos del tamaño de un nanómetro que forman redes anidadas en niveles jerárquicos separados brindan una resistencia asombrosa.
Cuando se inauguró la Torre Eiffel en 1889, se consideró una maravilla técnica. Su disposición ingeniosa y delicada de vigas de hierro grandes y pequeñas proporcionó una estabilidad extraordinaria y aseguró que se convirtiera en el edificio más alto del mundo en ese momento por mucho ".Jerárquico "es lo que los expertos llaman el enfoque de ingeniería de una matriz abierta de vigas más grandes reforzadas por otras más pequeñas. Desde hace varios años, los investigadores de la ciencia de los materiales han intentado transferir este enfoque eficiente a la microestructura interna de los materiales, por ejemplo, mediante el uso de impresoras 3D quePuede replicar estructuras de celosía de ingeniería a escala micrométrica.
Hasta ahora, las esperanzas de crear una nueva generación de materiales de construcción livianos extremadamente fuertes no se han cumplido. Una de las razones: "Una impresora 3D solo puede imprimir un máximo de aproximadamente diez mil haces y eso llevará horas", segúnEl profesor Jörg Weißmüller del Instituto de Mecánica de Materiales de HZG, coautor de la publicación actual. "Para aplicaciones prácticas, esta no es una opción viable".
Corroyendo la plata
No obstante, su equipo persigue un objetivo aún más ambicioso. La visión: si los haces pudieran fortalecerse reduciendo su tamaño a unos pocos nanómetros de diámetro, podrían proporcionar la base para un nuevo tipo de material: excepcionalmente ligero y al mismo tiempoSin embargo, este tipo de material tendría que contener billones de haces, superando con creces la capacidad de la impresora más sofisticada ". Es por eso que tenemos que engañar a la naturaleza para que nos fabrique este tipo de materiales, simplemente mediante la autoorganización", Explica el colega de Weißmüller, el Dr. Shan Shi, autor principal del estudio.
Para empezar, el equipo utilizó una aleación de 93% de plata y 7% de oro. Esta aleación se sumerge en ácido sulfúrico diluido, disolviendo aproximadamente la mitad de la plata. Como resultado, el material restante se reorganiza, formando una delicadared de haces a nanoescala. Posteriormente, el material se somete a un tratamiento térmico a varios cientos de grados. "Esto hace que la red se vuelva más gruesa hasta un tamaño de haz de 150 nanómetros, manteniendo la arquitectura original", explica Shi.
Durante el último paso, el ácido vuelve a entrar en juego. Se utiliza para lavar el resto de la plata, dejando solo vigas de oro con un tamaño de poro de 15 nanómetros en promedio. El resultado es un material estructurado jerárquicamente con dosdiferentes tamaños de haz, no muy diferente de la Torre Eiffel. Como resultado de su estructura de red abierta, este nuevo material consta de 80 a 90% de aire, lo que le da una densidad de solo 10 a 20% del metal sólido.
Increíblemente ligero, increíblemente fuerte
El grupo de investigación luego probó las propiedades mecánicas de sus muestras de tamaño milimétrico. "En vista de la baja densidad de este material, muestra valores excepcionalmente altos para parámetros mecánicos clave como la resistencia y el módulo elástico", informa Jörg Weißmüller."Hemos eliminado gran parte de la masa y dejado muy poco, pero el material es mucho más fuerte que lo que ha sido el estado del arte hasta ahora". Esto, dijo, demuestra por primera vez que una estructura jerárquica puede ser beneficiosa no solopara estructuras de celosía de ingeniería macroscópica como la Torre Eiffel, pero también para materiales de red ligeros.
El nuevo material aún no es adecuado para aplicaciones en construcción liviana; el oro es simplemente demasiado caro, demasiado pesado y demasiado blando para ese propósito. Sin embargo, el nuevo enfoque de diseño de materiales HZG podría transferirse a otros metales tecnológicamente más relevantes.como el aluminio, el magnesio o el titanio. Los investigadores se enfrentarán a otro desafío más: hasta ahora, solo han podido fabricar muestras pequeñas de tamaño milimétrico ". Pero parece completamente factible fabricar alambres o incluso láminas enteras de metalpor nuestro proceso ", espera Weißmüller." En ese punto, el material se volverá interesante en escenarios de la vida real, por ejemplo, en nuevos conceptos para vehículos que son más ligeros y, por lo tanto, más eficientes energéticamente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Geesthacht / Center für Center for Materials and Coastal Research . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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