Los materiales anudados, que se han creado a partir de polímeros, exhiben una resistencia a la tracción que supera con creces a los materiales sin nudos pero estructuralmente idénticos, incluidos aquellos en los que las hebras individuales están entretejidas en lugar de anudadas. Crédito: Caltech
Los ingenieros de Caltech han logrado un avance significativo en el campo de los materiales de nano y micro arquitectura, creando un nuevo material compuesto por múltiples nodos de microescala interconectados.
En comparación con materiales estructuralmente idénticos sin nudos, la presencia de nudos en este nuevo material aumenta significativamente su resistencia, lo que le permite absorber más energía y deformarse más antes de volver a su forma original sin ningún daño. Estos nuevos materiales anudados pueden encontrar aplicaciones en biomedicina, así como aplicaciones aeroespaciales debido a su durabilidad, biocompatibilidad potencial y deformabilidad extrema.
“La capacidad de superar el compromiso general entre la deformabilidad del material y la tenacidad a la tracción [the ability to be stretched without breaking] ofrece nuevas formas de diseñar dispositivos que son extremadamente flexibles, duraderos y pueden operar en condiciones extremas”, dijo Widianto P. Moestopo, ex alumno de Caltech (MS ’19, Ph.D. ’22), ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Moestopo es el autor principal de un artículo sobre nudos a nanoescala publicado el 8 de marzo en Science Advances.
Moestopo ayudó a desarrollar el material en el laboratorio de Julia R. Greer, Ruben F. y Donna Mettler Profesor de Ciencia de Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica; Director de la Fundación Fletcher Jones del Instituto de Nanociencia Kavli; y autor principal del artículo Science Advances. Greer está a la vanguardia en la creación de estos materiales de nanoarquitectura, o materiales cuya estructura está diseñada y organizada a escala nanométrica y que, como resultado, exhiben propiedades inusuales y, a menudo, sorprendentes.
La resistencia a la tracción de un material construido con nudos a microescala (izquierda) en comparación con un material sin nudos pero estructuralmente idéntico (derecha). Crédito: Caltech
“Embarcarse en la comprensión de cómo los nudos afectarían la respuesta mecánica de los materiales de microarquitectura fue una nueva idea lista para usar”, dice Greer. “Hemos realizado una extensa investigación para estudiar la deformación mecánica de muchos otros tipos de microtextiles, por ejemplo, cerchas y materiales tejidos. Adentrarnos en el mundo de los nudos nos permitió obtener conocimientos más profundos sobre el papel de la fricción y la disipación de energía y resultó ser significativo”.
Cada nudo mide aproximadamente 70 micrómetros de alto y ancho, y cada fibra tiene un radio de aproximadamente 1,7 micrómetros (aproximadamente una centésima parte del radio de un cabello humano). Si bien estos no son los nudos más pequeños jamás creados (en 2017, los químicos hicieron un nudo hecho de una cadena individual de átomos), esta representa la primera vez que se crea un material compuesto por múltiples nudos en esta escala. Además, demuestra el valor potencial de incluir estos nudos a nanoescala en un material, por ejemplo, para suturar o atar en biomedicina.
Los materiales anudados, que se han creado a partir de polímeros, exhiben una resistencia a la tracción que supera con creces a los materiales sin nudos pero estructuralmente idénticos, incluidos aquellos en los que las hebras individuales están entretejidas en lugar de anudadas. En comparación con sus homólogos sin nudos, los materiales con nudos absorben un 92 % más de energía y requieren más del doble de tensión para romperse cuando se tira de ellos.
Los nudos no estaban atados, sino fabricados en un estado anudado utilizando litografía 3D avanzada de alta resolución capaz de producir estructuras a nanoescala. Las muestras detalladas en el artículo de Science Advances contienen nudos simples: un nudo simple con un giro adicional que proporciona fricción adicional para absorber energía adicional a medida que se estira el material. En el futuro, el equipo planea explorar materiales construidos a partir de nodos más complejos.
El interés de Moestopo en los nudos surgió de la investigación que estaba realizando en 2020 durante los bloqueos de COVID-19. “Me encontré con algunos trabajos de investigadores que estudian la mecánica de los nudos físicos en oposición a los nudos en un sentido puramente matemático. No me considero escalador, marinero o matemático, pero he estado haciendo nudos durante toda mi vida, así que pensé que valía la pena intentar insertar nudos en mis dibujos”, dice.
Referencia: «Los nudos no son inútiles: diseño, propiedades y topología de materiales de microarquitectura entretejidos jerárquicos» por Widianto P. Moestopo, Sammy Shaker, Weiting Deng y Julia R. Greer, 8 de marzo de 2023, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.ade6725
El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias a través del Programa de Becas de Investigación para Graduados de Moestopo, el Fondo de Innovación Clinard de Caltech, la Beca de la Facultad Vannevar Bush de Greer y la Oficina de Investigación Naval.
