Inspirándose en el material que forma las conchas de ostras y abulones, los ingenieros de Princeton han creado una nueva mezcla de cemento que es 17 veces más resistente a las grietas que el cemento estándar y 19 veces más capaz de estirarse y deformarse sin romperse. En última instancia, los resultados podrían ayudar a aumentar la resistencia a las grietas de una amplia gama de materiales cerámicos frágiles, desde hormigón hasta porcelana.
“Si podemos diseñar hormigón para evitar la propagación de grietas, podemos hacerlo más resistente, más seguro y más duradero”, dijo el investigador Shashank Gupta, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del laboratorio de Raza Moini.
En un artículo publicado el 10 de junio en la revista Materiales funcionales avanzadosel equipo de investigación dirigido por Moyani, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, informó que la creación de capas alternas de pasta de cemento tabulada y polímeros delgados puede aumentar significativamente la resistencia al agrietamiento y la capacidad de deformarse sin romperse por completo.
El laboratorio de Moini a menudo busca inspiración en la biología para su trabajo sobre materiales de construcción. En este caso, el equipo desarrolló un compuesto inspirado en un material natural llamado nácar o nácar, que se encuentra dentro de ciertas conchas. A nivel microscópico, el nicre consiste en bolitas hexagonales del mineral duro aragonita unidas a un biopolímero blando, dijo Gupta.
Las tabletas de aragonita contribuyen significativamente a la resistencia del nácar, mientras que los biopolímeros añaden flexibilidad y resistencia al agrietamiento. El mecanismo de endurecimiento implica que bolitas de aragonito se deslicen bajo tensión, lo que, entre otros mecanismos, permite que la braga disipe la energía. Esta acción deslizante, combinada con la desviación de las grietas y la deformación del biopolímero, permite que las bragas resistan una tensión mecánica sustancial mientras mantienen su integridad estructural, lo que las hace fuertes y flexibles.
“Esta sinergia entre los componentes duros y blandos es fundamental para las notables propiedades mecánicas del nácar”, dijo Gupta.
El equipo de Princeton desarrolló compuestos innovadores inspirados en el nácar, utilizando materiales de construcción tradicionales como la pasta de cemento Portland combinados con cantidades limitadas de polímeros. Reemplazaron capas de láminas de pasta de cemento con un polímero altamente estirable, el polivinilsiloxano. Los investigadores crearon pequeñas vigas de varias capas reemplazando láminas de pasta de cemento con finas capas de polímero. Luego, estas vigas se sometieron a una prueba de flexión en tres puntos, donde cada viga se probó en flexión para evaluar la resistencia al agrietamiento (o tenacidad a la fractura).
En el experimento, los investigadores produjeron tres tipos de vigas. El primer tipo consistía en láminas de pasta de cemento y capas alternas de polímero fino. Para el segundo tipo, utilizaron un láser para grabar ranuras hexagonales en láminas de pasta de cemento. Luego, estas láminas corrugadas se intercalaron entre finas capas de polímero. El tercer tipo era similar al tercero, pero los investigadores cortaron el cemento por completo y crearon tabletas hexagonales adheridas a la capa de polímero. Estos gránulos de pasta de cemento se encuentran encima de la capa de polímero del mismo modo que la capa de biopolímero en el nácar de aragonita. Los tres tipos se compararon con una contraparte de pasta de cemento colada sólida (una única) de referencia.
Los experimentos demostraron que la falla de la viga de referencia fue frágil, lo que significa que la viga se rompió repentina y completamente cuando alcanzó su punto de falla, sin ductilidad. Las vigas con capas alternas, tanto corrugadas como no corrugadas, demostraron una mayor ductilidad y resistencia al agrietamiento.
Los resultados más significativos se observaron en vigas con bolitas hexagonales totalmente desprendidas, similares al nácar. Estas vigas exhiben una ductilidad 19 veces mayor y una tenacidad a la fractura 17 veces mayor, al tiempo que mantienen la misma resistencia que las vigas de pasta de cemento sólido.
“Nuestro enfoque bioinspirado no consiste simplemente en imitar la microestructura de la naturaleza, sino en aprender de los principios fundamentales y utilizarlos para informar la ingeniería de materiales fabricados por el hombre. A nivel nanométrico, estamos estudiando las propiedades de los polímeros y su enfoque en el mecanismo de deslizamiento de la tableta mediante la ingeniería de una estructura tabulada incorporada de pasta de cemento en equilibrio con la interfaz interfacial”. dijo Moín. “En otras palabras, diseñamos intencionalmente defectos en materiales frágiles como una forma de hacerlos más fuertes por diseño”.
Los investigadores señalan que los resultados se basan en condiciones de laboratorio y que se necesitará trabajo e investigación adicionales para desarrollar técnicas para su uso en el campo. Están trabajando para determinar si la tenacidad a la fractura y la ductilidad de la estructura se aplican a materiales cerámicos distintos de la pasta de cemento, como el hormigón.
“Sólo estamos arañando la superficie; habrá muchas posibilidades de diseño para explorar y diseñar las propiedades, interfaces y aspectos geométricos de los materiales duros y blandos que contribuyen a los efectos fundamentales del tamaño en los materiales de construcción”.
