Los experimentos en el laboratorio de ingeniería mecánica y física aplicada de Caltech y la profesora Chiara Dario, investigadora del Heritage Medical Research Institute, G. Bradford Jones, han producido un nuevo y emocionante tipo de material, ni granular ni cristalino, que responde a ciertas presiones como un fluido. Y para otros como el hormigón. El nuevo material, conocido como PAM (por sus siglas en inglés, Polycatenated Architected Materials) podría tener aplicaciones en todo, desde cascos y otros equipos de protección hasta dispositivos biomédicos y robótica.
Los PAM no se encuentran en la naturaleza, aunque conocemos su forma básica a través de miles de años de fabricación de cotas de malla: se utilizan pequeños anillos de metal unidos para formar una malla, a menudo utilizados como una forma flexible de armadura. Los PAM, sin embargo, son como una cota de malla con esteroides. Siguiendo el principio básico de formas entrelazadas, como las que se encuentran en una cadena, los PAM combinan diferentes formas para formar patrones tridimensionales cuya composición es casi inimaginablemente variable. Los materiales resultantes, que Daraio y sus colegas produjeron utilizando impresoras 3D, exhiben comportamientos que no se encuentran en otros tipos de materiales.
Wenjie Zhou, investigador asociado postdoctoral en ingeniería mecánica y civil, ha estado trabajando en este tipo de material en el laboratorio de Daraio durante dos años. “Yo era químico y quería hacer estas estructuras a escala molecular, pero resultó ser muy difícil. Para obtener respuestas a las preguntas que tenía sobre el comportamiento de estas estructuras, le pregunté a Chiara. Decidió unirse al grupo y estudiar los PAM a mayor escala”.
Los PAM que el grupo de Daraio creó y estudió fueron los primeros modelados en una computadora y diseñados para imitar la estructura reticular que se encuentra en los materiales cristalinos, pero se sustituyeron con partículas cristalinas fijas o jaulas de múltiples lados.
Luego, estas mallas se imprimieron tridimensionalmente utilizando una variedad de materiales, incluidos polímeros acrílicos, nailon y metales. Una vez que los PAM pudieron sostenerse en la palma de la mano (la mayoría de los prototipos eran cubos de 5 centímetros (2 pulgadas) o esferas de 5 centímetros de diámetro), fueron sometidos a diversas tensiones físicas. “Comenzamos con la compresión”, explica Zhao, “comprimiendo los objetos un poco más cada vez. Luego probamos con un corte simple, una fuerza lateral, como la que aplicarías si intentaras rasgar el material. Finalmente, hicimos una prueba de reología, observando cómo respondía el material al rodar, primero lentamente y luego más rápido y con más fuerza”.
En algunos escenarios, estos PAM se comportaron como líquidos. “Imagínese aplicar tensión de corte al agua”, dice Zhou. “Tendría resistencia cero”. Debido a que los PAM tienen todos estos grados de libertad integrados, con los anillos y las jaulas deslizándose entre sí como eslabones de una cadena, muchos tienen muy poca resistencia al corte, pero cuando estas estructuras se comprimen, pueden volverse completamente rígidas y comportarse como un sólido”. .
Estas dinámicas hacen que los PAM sean únicos. “Los PAM son realmente un nuevo tipo de caso”, afirma Daraio. “Cuando pensamos en sólidos y materia granular, todos tenemos una clara distinción en mente. Los sólidos a menudo se describen como cristalinos. Esto es lo que se llama cristales atómicos, químicos o grandes. Véase en los modelos clásicos de bolas y palos de Las estructuras son las que forman nuestra comprensión tradicional de la materia sólida, como vemos en sustancias como el arroz o el café molido. Estos materiales están formados por partículas discretas que se mueven y se deslizan entre sí. son libres.”
Los PAM desafían esta clasificación binaria. “En los PAM, las partículas individuales están conectadas como si estuvieran en una estructura cristalina y, sin embargo, como estas partículas pueden moverse libremente entre sí, fluyen, se deslizan unas sobre otras y cambian sus posiciones relativas como granos. de arena”, explica Daraio. “Los PAM pueden ser muy diferentes entre sí. Puedes imprimirlos en materiales blandos o duros. Puedes cambiar la forma de cada partícula y puedes cambiar la red que usas para conectar las partículas. El comportamiento del resultado Todos los materiales muestran una transición característica entre el comportamiento líquido y sólido, pero siempre es así”.
“Los materiales de construcción han sido un subcampo importante en la ciencia y la ingeniería de materiales durante los últimos 20 o 30 años”, afirma Daraio. “Pero como híbrido entre materiales granulares y materiales elásticamente deformables, los PAM son interesantes y nuevos. Tenemos teorías para describir materiales granulares y teorías para describir materiales elásticamente deformables. Pero nada que capture estos materiales intermedios es una frontera apasionante que promete redefinir lo que Son los materiales y cómo se comportan.
En este punto, los usos potenciales de los PAM son en gran medida especulativos pero interesantes, dice Daraio: “Estos materiales tienen propiedades únicas de absorción de energía. Debido a que cada elemento puede deslizarse respecto al otro y puede rotar y reorganizarse, pueden disipar energía de manera muy eficiente. “. haciéndolos mejores candidatos que las espumas utilizadas actualmente para su uso en cascos u otras formas de ropa protectora. Esta propiedad los hace igualmente atractivos para su uso en embalajes o en cualquier entorno donde se requiera amortiguación o estabilidad.
Los experimentos con PAM a microescala han demostrado que se expandirán o contraerán en respuesta a cargas eléctricas aplicadas, así como a fuerzas físicas, lo que sugiere posibles aplicaciones en dispositivos biomédicos o robótica blanda.
El coautor Liuchi Li (PhD ’20), ahora profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Princeton, está entusiasmado con el futuro de los PAM: “Queremos acelerar la exploración de este vasto espacio de diseño con artificial “Estamos Sólo estamos arañando la superficie de lo que es posible”.
Esta investigación se publica en Ciencia Bajo el título “Materiales arquitectónicos policatenados 3D”. Los coautores incluyen a Zhou, Daraio, Sujeeka Nadarajah, Hujie Yan (MS’24), Aashutosh K. Prachet y Payal Patel de Caltech; Lee de la Universidad de Princeton; y Anna Gale Izard y Xiaoxing Xia (PhD ’19) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). Los recursos computacionales fueron proporcionados por el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Caltech, y esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército, el Fondo de Innovación Gary Clinard, LLNL y el Departamento de Energía de EE. UU.
