El MIT y la Universidad del Nordeste crean metamateriales inspirados en la naturaleza que resisten impactos sin colapsar

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y la Universidad del Nordeste en Boston (Massachusetts) diseñaron metamateriales basados en redes de soportes microscópicos de tamaños variables, una estructura que resiste mejor los impactos y distribuye el daño sin colapsar de forma inmediata. El método, descripto en la revista científica Nature, podría aplicarse a cascos, embalajes protectores, armaduras y lentes acústicas, informó MIT News, el portal de noticias del instituto.

Los nuevos materiales no se forman a partir de una única célula repetida de manera periódica, como ocurre con los metamateriales convencionales —aquellos con patrones regulares como cuadrículas o celdas hexagonales—. En su lugar, combinan vigas diminutas de diferentes longitudes y espesores que se cruzan hasta formar redes físicas densas, semejantes a las venas de una hoja o de las alas de una libélula.

El equipo denominó a esta arquitectura “metamateriales ricos en escalas”, porque sus componentes varían enormemente de tamaño: desde elementos microscópicos apenas visibles hasta otros que pueden medirse en centímetros. Cada muestra fabricada tenía un tamaño aproximado al de una tarjeta de crédito y fue producida mediante impresión 3D con polímeros depositados en patrones de vigas interconectadas.

Redes físicas frente a las estructuras repetitivas

Los metamateriales obtienen sus propiedades de la organización de su estructura interna y no solo de la composición química de la sustancia que los forma. Durante décadas, los ingenieros los construyeron al repetir una célula elemental en configuraciones ordenadas, una estrategia que puede aumentar la resistencia y la capacidad de recuperación del material.

Sin embargo, esa regularidad también tiene una debilidad: cuando una parte de la estructura se perfora o se agrieta, las células vecinas pueden deformarse de la misma manera y propagar el fallo. Carlos Portela, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT y autor del estudio, explicó que ese comportamiento concentra el daño en una zona determinada.

“Hemos pasado años estudiando microestructuras periódicas y ordenadas, y aprendimos que tienen muchas limitaciones y respuestas no ideales, como este efecto de localización”, afirmó Portela. “Queríamos liberarnos de esa idea y usar la ciencia de redes para diseñar estos materiales”.

La ciencia de redes estudia cómo se conectan e interactúan los elementos dentro de sistemas complejos, como internet o las conexiones entre neuronas en el cerebro. Albert-László Barabási, profesor de física de Northeastern University y coautor de la investigación, ha examinado durante años cómo se organizan esas redes, dónde pueden surgir vulnerabilidades y de qué manera podrían ganar solidez.

La colaboración con el grupo de Portela trasladó esos principios a un objeto físico. El desafío consistía en que, a diferencia de las redes conceptuales, un material debe cumplir restricciones concretas: la cantidad de conexiones, el grosor de las vigas, la densidad de la estructura y el espacio disponible entre sus componentes.

Control de rigidez y absorción de energía

El diseño parte de un algoritmo que traza líneas una a una en ángulos y posiciones aleatorias: primero las más largas y gruesas, y luego otras progresivamente más cortas y delgadas que se cruzan con las anteriores. El resultado es una red densa de vigas entrelazadas que varía en tamaño y densidad a lo largo de todo el material.

Los científicos pueden modificar la estructura resultante al ajustar dos parámetros: el grosor de la primera línea y la velocidad con que disminuye el espesor de las siguientes. “Vemos que podemos ajustar realmente la rigidez de un material con solo cambiar estos dos parámetros, que determinan cómo se generan esos patrones de red”, señaló Portela. Las simulaciones permitieron anticipar cómo esas variaciones alterarían la rigidez y otras propiedades mecánicas antes de fabricar las muestras.

Los ensayos físicos incluyeron la caída de un peso considerable sobre los materiales y pruebas de compresión con fuerzas crecientes. Las estructuras inspiradas en redes resistieron mejor la compresión y los impactos que las muestras convencionales de retícula y panal.

La diferencia radica en que el fallo de una sección no provoca necesariamente el derrumbe del conjunto. “Como existe una gran diversidad de escalas de longitud en estos materiales conectados en red, si una parte falla, hay una sólida trama de estructuras a su alrededor que evita que todo el material falle de forma catastrófica”, explicó Portela. “Es más eficiente para distribuir el daño y absorber energía”.

Los investigadores fueron un paso más allá y demostraron que estos materiales también pueden proteger objetos frágiles. Para ello, se inspiraron en la cáscara del pomelo, que tiene una estructura interna que varía en densidad de afuera hacia adentro, lo que le permite absorber golpes sin que la fruta se dañe. Replicando esa misma lógica, diseñaron un material con una capa exterior densa y un interior más liviano, y comprobaron que un objeto frágil colocado en el centro quedaba protegido ante impactos.

Tian “Tim” Chen, profesor asociado del Departamento de Aeronáutica del Imperial College London —que no participó del trabajo—, consideró que el enfoque ofrece un marco para crear materiales con rasgos que cambian en un rango muy amplio. “Eso puede conducir a una nueva generación de materiales con un comportamiento físico sin precedentes para cualquier estructura que deba soportar carga, absorber energía o controlar vibraciones”.