Resumen:
Durante mucho tiempo, el titanio se ha utilizado ampliamente en la ingeniería aeroespacial y marina y otros campos debido a su alta resistencia, peso ligero y excelente resistencia a la corrosión. Sin embargo, debido a que el titanio es más de cuatro veces más denso que el agua, la gente nunca ha asociado este metal con "flotar". Ahora, un equipo de investigación del Instituto Real de Tecnología de Melbourne (Universidad RMIT) de Australia ha creado con éxito una estructura de titanio que puede flotar en el agua y lograr una flotabilidad a largo plazo manteniendo una alta resistencia.
Lo que el equipo de investigación desarrolló es una nueva estructura llamada "metamaterial flotante de red abierta de polímero metálico". Aunque el titanio en sí tiene una densidad de aproximadamente 4,43 gramos por centímetro cúbico, que es mucho mayor que la densidad del agua dulce, que es de aproximadamente 1 gramo por centímetro cúbico, los investigadores cambiaron esta característica mediante un diseño estructural especial.
Para lograr el efecto flotante, los investigadores utilizaron tecnología de impresión 3D para construir un esqueleto de celosía de aleación de titanio Ti-6Al-4V y diseñaron todas las vigas de soporte que forman la celosía en estructuras huecas. Luego llenaron el interior de estos canales huecos con espuma de poliuretano ligera. La estructura compuesta resultante no sólo conserva las propiedades mecánicas del metal titanio, sino que también logra una flotabilidad estable.
Durante el experimento, los investigadores descubrieron que incluso si el material se agrietaba, las piezas de conexión se rompían o incluso una parte de la capa de red se dañaba en su totalidad, aún podía permanecer flotando y no hundirse en el agua.
La razón por la que se buscan materiales con alta resistencia y flotabilidad es porque existen muchas necesidades prácticas en el campo de la ingeniería marina. Las boyas, los sensores de monitoreo en alta mar, las plataformas marinas y diversas infraestructuras marinas no solo deben resistir el impacto continuo de las olas, sino también resistir la corrosión del agua de mar y continuar manteniendo su capacidad de funcionar a pesar de los daños.
Si bien el acero inoxidable y los plásticos de alta densidad, ampliamente utilizados actualmente, pueden satisfacer algunas necesidades, todavía tienen limitaciones en términos de resistencia, durabilidad y confiabilidad a largo plazo. La propia aleación de titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión y a la fatiga, por lo que siempre se ha considerado un material ideal. Sin embargo, su alta densidad natural limita su aplicación en instalaciones flotantes.
Los investigadores dijeron que los humanos en el pasado dependían principalmente de dos métodos para resolver el problema de la flotación. Una es utilizar la estructura hueca del barco para envolver una gran cantidad de aire y la otra es agregar materiales de baja densidad, como espuma, dentro del equipo para proporcionar flotabilidad. El auge de las estructuras de celosía metálica en los últimos años proporciona nuevas ideas para este problema.
A través de la tecnología de impresión 3D, solo se puede utilizar una pequeña cantidad de metal para construir una enorme estructura de malla, logrando así una relación resistencia-peso extremadamente alta. La densidad total de algunas redes metálicas es menos de una décima parte de la del agua. Sin embargo, estas estructuras han sido durante mucho tiempo poco prácticas para su uso en ambientes marinos porque sus poros abiertos se llenan rápidamente de agua de mar, lo que eventualmente hace que se hundan.
El avance del equipo de investigación resolvió este problema. En lugar de encerrar toda la celosía, simplemente rellenaron con espuma el interior de las vigas huecas de soporte de titanio. Esto no sólo permite que el agua de mar pase libremente a través de la estructura de red, sino que también garantiza que la flotabilidad general exista durante mucho tiempo.
Para evaluar con mayor precisión la capacidad de flotación de tales estructuras, los investigadores también propusieron una nueva métrica de cálculo: la "densidad del esqueleto".
Los cálculos de densidad tradicionales incluirán todos los espacios abiertos dentro de la red en el rango de volumen, pero estos espacios en realidad estarán ocupados por agua y no contribuirán a la flotabilidad. El nuevo concepto de densidad del esqueleto sólo calcula las partes que realmente pueden repeler el agua, incluidas las paredes de aleación de titanio y las áreas rellenas de espuma.
Según esta teoría, mientras la densidad del esqueleto sea menor que la densidad del líquido circundante, toda la estructura aún puede flotar de manera estable incluso si una gran cantidad de aberturas externas permiten el paso del agua.
Los resultados de las pruebas de rendimiento también son interesantes. Bajo la misma densidad general, la resistencia de esta nueva estructura flotante de titanio es aproximadamente un 70% mayor que la del acero inoxidable o el polietileno de alta densidad que se utilizan actualmente en la ingeniería marina.
El equipo de investigación también realizó pruebas de resistencia a la corrosión utilizando agua de mar natural de Port Phillip, Melbourne. Los resultados mostraron que después de que la muestra se sumergiera en agua de mar durante dos semanas, solo perdió alrededor del 0,15% de su masa, mientras que su resistencia disminuyó menos del 1%, lo que demuestra una excelente adaptabilidad al entorno marino.
Además, las muestras experimentales flotaron continuamente en agua dulce durante más de dos meses y permanecieron estables durante mucho tiempo. Los investigadores creen que esto demuestra que la estructura no sólo tiene capacidades flotantes teóricas, sino también potencial para aplicaciones prácticas de ingeniería.
El equipo de investigación afirmó que esta es la primera vez en el mundo que se ha logrado un metamaterial de red mixta de metal que puede flotar durante mucho tiempo. En el futuro, se espera que esta tecnología se aplique a boyas marinas, equipos de vigilancia de los océanos, instalaciones de energía marinas y diversos tipos de infraestructuras desplegadas en el entorno marino durante mucho tiempo.
A medida que la tecnología de impresión 3D y la ingeniería de materiales avanzados continúan desarrollándose, se espera que este nuevo tipo de "titanio flotante" que combina alta resistencia, resistencia a la corrosión y flotabilidad sostenida abra nuevas posibilidades para el futuro diseño de ingeniería oceánica.
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