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La naturaleza es la mejor maestra de los ingenieros. Los humanos han desarrollado agujas quirúrgicas a partir de mosquitos, bombillas LED a partir de luciérnagas e incluso tecnología para helicópteros a partir de colibríes. Para crear algunos de los materiales aeroespaciales más resistentes, los ingenieros también se han inspirado en la evolución y han recreado las estructuras reticulares de los puntales huecos de los nenúfares victorianos y los resistentes corales órgano.
Material tecnológico para los nuevos coches
Sin embargo, recrear estas estructuras naturales ha sido un quebradero de cabeza para la ingeniería, ya que la limitada capacidad de fabricación hace que estas estructuras reticulares no alcancen su potencial de carga. Por suerte, la era de la impresión 3D ofrece ahora un nivel de refinamiento que por fin permite a los ingenieros desvelar los secretos de la naturaleza, ligeros pero duraderos.
En un nuevo artículo publicado en la revista Advanced Materials, científicos de la Universidad Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) de Melbourne (Australia) han creado un metamaterial impreso en 3D que es un 50 por ciento más resistente que la aleación de magnesio WE54 utilizada en la industria aeroespacial (que tiene una densidad similar). El equipo superó un problema habitual de estas "estructuras celulares" huecas, debido a que la tensión se concentra en determinadas zonas del puntal, lo que provoca un fallo prematuro. En su lugar, los científicos diseñaron un entramado multitopológico que distribuye uniformemente la tensión de la carga para evitar los "puntos calientes" de carga, al tiempo que desvía las grietas a lo largo de la estructura.
"En la mayoría de las topologías, es habitual que menos de la mitad del material soporte principalmente la carga de compresión, mientras que el mayor volumen de material es estructuralmente insignificante", afirma en un comunicado de prensa Ma Qian, profesor de la Universidad RMIT y coautor del estudio. "Hemos diseñado una estructura de celosía tubular hueca que tiene una banda delgada en su interior. Estos dos elementos juntos muestran una resistencia y una ligereza nunca vistas juntas en la naturaleza... al fusionar eficazmente dos estructuras reticulares complementarias para distribuir uniformemente la tensión, evitamos los puntos débiles donde normalmente se concentra la tensión."
La creación de este entramado multitopológico ultraduradero es posible gracias a la impresora RMIT de fusión de lecho de polvo láser (L-PBF), que es mucho más complicada que la típica impresora 3D de sobremesa. Como su nombre indica, esta máquina utiliza polvo metálico que se funde en su lugar mediante rayos láser de alta potencia. Según otro estudio del RMIT de 2023, esta impresora "impone pocas restricciones de diseño a la geometría de las piezas... permitiendo la fabricación de piezas complejas altamente personalizables."
Resistencia enorme
Este increíble grado de libertad de fabricación permitió a los investigadores no sólo crear los cubos de celosía ultrarresistentes, sino crearlos en varios tamaños -desde varios metros hasta sólo unos milímetros-, ampliando sus aplicaciones potenciales en diversas industrias. El material también es resistente a la corrosión y al calor, y puede soportar temperaturas de hasta 350 grados Celsius (aunque los científicos confían en que es posible alcanzar un umbral de 600 grados).
Descubrir este metamaterial de enorme resistencia es el primer paso, pero fabricar un objeto tan complejo a gran escala es un reto totalmente distinto. Esto se debe principalmente a que, como admiten libremente los investigadores, "no todo el mundo tiene una máquina láser de fusión de lecho de polvo en su almacén".
Pero una vez que la tengan, las maravillas de la naturaleza volverán a estar a nuestro alcance.
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