Un equipo de ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder demostró recientemente un nuevo tipo de material con aire de ciencia ficción: un sistema de partículas entrelazadas compuesto de pequeñas partículas con formas especiales que pueden cambiar libremente entre "todo duro" y "fluido suelto". Los investigadores se inspiraron en un par de artículos básicos de oficina comunes y corrientes. Cuando una gran cantidad de grapas se enredan en una bola, resistirán fuerzas externas como un todo cuando se tiren. Sin embargo, cuando se vibran o se sacuden de una manera específica, rápidamente se aflojarán y colapsarán en una pila de tiras de metal separadas.
Este fenómeno ha llevado a los investigadores a repensar los enfoques de diseño de materiales: en lugar de utilizar sólidos monolíticos tradicionales o enlaces químicos, a partir de formas geométricas, se utiliza una gran cantidad de partículas pequeñas que pueden "conectarse" entre sí para construir una estructura general mediante entrelazamiento físico, y al mismo tiempo ser capaces de desintegrarse rápidamente cuando sea necesario. "Hemos estado jugando con configuraciones y geometrías durante muchos años, pero sólo recientemente hemos comenzado a estudiar seriamente partículas entrelazadas y entrelazadas", dijo el profesor Francois Barthelat, líder del proyecto y director del Laboratorio de Materiales Avanzados y Bioinspiración. "Este sistema puede exhibir un conjunto único de combinaciones de rendimiento y creemos que tiene mucho espacio para la imaginación de la ingeniería".
El estudio, publicado en el Journal of Applied Physics, llama a este fenómeno "entrelazamiento", el proceso mediante el cual las partículas se entrelazan entre sí y forman conexiones estructurales. Principios similares son familiares en la naturaleza: los nidos de pájaros dependen del entretejido de ramas y fibras para obtener fuerza, y los huesos dependen del acoplamiento entre minerales rígidos y proteínas blandas para lograr un equilibrio de propiedades mecánicas. El desafío de la ingeniería radica en reproducir este efecto de "entrelazado" en materiales artificiales de forma controlable.
El equipo de Barthelat cree que la clave está en la geometría de las partículas. "Tomemos como ejemplo la arena. La superficie de los granos de arena es lisa y la forma general es convexa. Es casi imposible lograr un verdadero entrelazamiento entre las partículas", explicó el estudiante de doctorado Youhan Sohn. "Pero si cambiamos la forma de un 'grano de arena', su comportamiento macroscópico y sus propiedades mecánicas cambiarán drásticamente, incluida la capacidad de entrelazarse y entrelazarse con otras partículas".
Después de darse cuenta de que la forma es un factor clave, los investigadores utilizaron simulaciones de Monte Carlo, un método computacional, para predecir las interacciones entre partículas de diferentes formas y encontrar diseños geométricos que produzcan el mayor grado de entrelazamiento. Luego validaron los resultados de la simulación a través de una serie de "pruebas de recogida" para ver cómo se comportaban las partículas recién diseñadas durante el montaje, la elevación y la vibración reales.
El experimento finalmente dio una respuesta inesperada pero extremadamente simple: las partículas de "dos patas", similares a grapas, mostraron la mayor tendencia a entrelazarse. Después de apilar una gran cantidad de partículas en esta forma, el sistema puede entrelazarse estrechamente para formar un todo y también puede aflojarse y dispersarse bajo ciertas condiciones.
Este diseño aporta varias ventajas de rendimiento importantes, una de las cuales es la rara combinación de alta resistencia y alta tenacidad. En los materiales tradicionales, la alta resistencia suele ir acompañada de un aumento de la fragilidad, mientras que la alta tenacidad suele significar una disminución de la resistencia; sin embargo, este material de partículas entrelazadas compuesto de "partículas básicas" tiene un buen rendimiento tanto en resistencia a la tracción como en tenacidad. Doctor en Filosofía. El estudiante Saeed Pezeshki señaló: "Nuestro material de partículas entrelazadas utiliza estas partículas básicas para mantener una alta resistencia y al mismo tiempo exhibir una excelente tenacidad".
Otra gran ventaja es el rápido montaje y desmontaje reversible del sistema. El equipo de investigación ajustó el grado de entrelazamiento entre partículas cambiando el modo de vibración aplicado a la pila de partículas: vibraciones suaves y de baja intensidad ayudan a las partículas a "perforar" lentamente los espacios entre sí, formando enredos más estrechos y mejorando la resistencia general; mientras que las vibraciones más fuertes alterarán el estado de contacto original, provocando que la estructura se desintegre y las partículas vuelvan a un estado granular de flujo libre.
"Se trata de un material muy extraño. Obviamente no es un líquido, pero no puede clasificarse simplemente como sólido", afirmó Barthelat. "Esto abre una nueva puerta para el diseño de ingeniería. Cuando realmente manipulas una bola de partículas enredadas con tus manos, tendrás una sensación extraña y surrealista".
Entre las posibles direcciones de aplicación, la arquitectura sostenible es un escenario importante. El equipo de investigación prevé que los futuros edificios y puentes puedan utilizar parcialmente este material particulado enredado como estructura o unidad de relleno: durante el período de servicio, tendrán una buena capacidad de carga; y cuando finaliza la tarea constructiva o finaliza la vida estructural, se pueden desmontar en su conjunto para realizar la reutilización y reciclaje de componentes o partículas.
La robótica es otro camino posible. Pezeshki reveló que en discusiones con otros estudiantes, creía que este concepto material podría extenderse a la "robótica de enjambre": una gran cantidad de pequeños robots se entrelazan entre sí a través del diseño de formas y mecanismos, y se combinan en estructuras más grandes y complejas al realizar tareas; Una vez completada la tarea, se desenredan entre sí y se dispersan para ejecutar nuevas instrucciones.
Barthelat utilizó como metáfora una imagen familiar de ciencia ficción, similar al robot de metal líquido T-1000 de la película "Terminator 2": puede "licuarse" en un estado fluido en un espacio pequeño y atravesar obstáculos, y puede volver a condensarse en una forma completa en el otro lado. "Por supuesto, el costo de esta tecnología es actualmente muy alto y aún quedan muchos desafíos para lograr su aplicación a gran escala, pero esta es una dirección a la que muchos investigadores están prestando atención", afirmó.
Actualmente, el equipo continúa optimizando este sistema de materiales y probando diseños de partículas más complejos, como agregar "patas" o "ganchos" extra sobresalientes para hacer que las partículas sean algo similares al tribulus espinoso que se encuentra comúnmente en la ropa. Se espera que este tipo de estructura multiprotuberante mejore aún más el efecto de entrelazamiento y mejore la estabilidad y ajustabilidad de la estructura general.