Los metamateriales son materiales sintéticos que no se encuentran en la naturaleza. Sus componentes se comportan como átomos de materiales convencionales pero tienen propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas especiales. La interacción entre los componentes es fundamental para la funcionalidad del metamaterial. Anteriormente, un componente normalmente sólo podía comunicarse con sus vecinos más cercanos. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) han desarrollado un metamaterial mecánico que permite desencadenar estas interacciones a largas distancias dentro del material. Los usos potenciales del material incluyen la medición de fuerzas y el monitoreo estructural.
Con este material, un grupo de trabajo dirigido por el profesor Martin Wagner en el Instituto de Física Aplicada (APH) de KIT ha superado una variedad de metamateriales. El autor principal, el Dr. Yi Chen, compara esto con el efecto conocido en la comunicación humana y el “juego del teléfono”: cuando las personas se comunican a través de una cadena de intermediarios, el mensaje recibido por la última persona recibida es exactamente el mismo que el último recibido. La diferencia puede ser que la primera y la última persona hablaron directamente entre sí. Según Chen, este principio también se aplica a los metamateriales. “El material que diseñamos tiene estructuras especiales (en rojo en el ejemplo). Con estas estructuras, los componentes individuales ya no sólo se ‘comunican’ con componentes distantes a través de sus vecinos, sino que ahora se comunican con otros en el material. También pueden interactuar directamente con todos los componentes “. Dijo Chen.
Experimentos con muestras microscópicas impresas en 3D
“Estas estructuras confieren al material propiedades interesantes, como propiedades de tracción inusuales”, dijo el coautor del APH Ki Wang. El equipo pudo demostrar esto con muestras del material del tamaño de una micra, que produjeron utilizando tecnología de impresión láser 3D y examinaron con un microscopio equipado con una cámara. Su análisis muestra que una viga unidimensional (1D) se estira irregularmente cuando se tira desde un extremo.
A diferencia de algo como una banda elástica, que se estira uniformemente cuando se estira, el metamaterial en realidad mostró compresión en algunos lugares, con algunas secciones más cortas estirándose más que las secciones más largas, a pesar de que la fuerza fue la misma en todos los ámbitos. Otro coautor, Jonathan Schneider de APH, dijo: “Este comportamiento inusual con estiramiento y compresión que se propaga localmente es imposible en materiales convencionales”. “Ahora investigaremos esto en materiales bidimensionales (planos) y tridimensionales”.
El metamaterial es muy sensible a la carga, lo que puede ser una propiedad potencialmente útil. Dependiendo del punto del material donde se aplica la fuerza, incluso en lugares relativamente alejados pueden producirse reacciones de tracción completamente diferentes. Según los investigadores, en los materiales convencionales la respuesta sólo se observa directamente en el punto de aplicación de la fuerza, mientras que en materiales situados en lugares remotos sólo se pueden detectar efectos débiles o insignificantes. Un material con esta sensibilidad podría ser valioso para aplicaciones de ingeniería que requieren medir fuerzas a gran escala, como en el monitoreo de daños en edificios, o para caracterizar fuerzas en células en investigaciones biológicas.
Esta investigación fue apoyada por el Grupo de Excelencia 3D Matter Made to Order (3DMM2O) de KIT y la Universidad de Heidelberg.
