Imagínese estirar los extremos largos de una pieza rectangular de goma.
Debe quedar apretado y delgado.
Pero ¿y si, en cambio, se hiciera más ancho y grueso?
Ahora, proceda con los mismos fines. ¿Qué pasa si la goma se vuelve apretada y delgada?
Estos materiales de sentido común existen. Se llaman auxéticos y tienen una serie de propiedades únicas que los hacen muy adecuados para plantillas de zapatos, edificios a prueba de bombas, parachoques de automóviles y ropa.
A pesar de este gran potencial, los productos auxéticos han tenido poca presencia en el mercado. Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Chicago esperan cambiar eso.
En un nuevo estudio publicado en Materiales computacionales NPJ, anunció que han desarrollado una nueva herramienta que hace que diseñar materiales con propiedades auxéticas sea más fácil y rápido. Un algoritmo permite un diseño tridimensional preciso de los auxiliares de herramientas.
“Este es un gran avance para los auxéticos”, dijo el ingeniero de investigación de materiales del NIST, Edwin Chan, coautor del estudio. “De hecho, podemos optimizar el material para que tenga las propiedades y comportamientos mecánicos específicos que desee”.
El comportamiento de los materiales elásticos se describe parcialmente mediante el índice de Poisson, que describe cómo el material cambia de forma cuando lo estiras o aprietas en una dirección.
La mayoría de los materiales tienen una relación de Poisson positiva, lo que significa que apretarlos en una dirección los hará más anchos y/o más gruesos en otras direcciones. Estirarlos los hace más estrechos y/o más delgados.
En auxética, el índice de Poisson tiene un valor negativo y se invierte exactamente.
Cuando se perfora un material no óxico, se vuelve más delgado y luego se expande. Cuando se perfora un auxético, el material se acumula y se estrecha en ancho. En las condiciones adecuadas, proporciona mayor resistencia al impacto.
Por ejemplo, si golpeas una bolsa llena de agua (como una que llevas de excursión), el agua del interior se alejará del punto de impacto. Sin embargo, si la bolsa se llenó con espuma acética al perforarla, el material se volverá denso y duro.
Esta es una de las razones por las que se está considerando el uso de auxiliares en edificios y automóviles. Tienen la capacidad de brindar una mayor protección contra explosiones y colisiones. En la plantilla de una zapatilla deportiva, un gel óxico o una espuma de goma pueden amortiguar mejor el pie cuando toca el suelo.
En la ropa, el nailon auxético, las fibras y otros materiales sintéticos pueden resultar más cómodos que los materiales tradicionales. Debido a que se ensanchan cuando se estiran, distribuyen más eficazmente la presión por todo el cuerpo, aliviando potencialmente la tensión en la espalda, las articulaciones, el cuello o los hombros. Un estudio sobre el uso de materiales auxéticos en los tirantes de los sujetadores encontró que “las estructuras de poliéster y nailon auxéticos exhibían capacidades notables de distribución de presión”.
La herramienta de diseño, desarrollada por científicos del NIST y la Universidad de Chicago, es un algoritmo de “diseño inverso”, lo que significa que los usuarios pueden ingresar el valor deseado para la relación de Poisson de su material de óxido. Luego, el algoritmo sugiere una mejor estructura para el contenido.
Otra forma de expresar el índice de Poisson es que describe la relación entre la forma y el volumen cuando cualquiera de ellos cambia. El nuevo algoritmo permite ajustar esta relación para crear materiales auxéticos que se comportan de maneras que no se pueden encontrar en la naturaleza.
“Nuestra investigación es un hermoso ejemplo de ciencia teórica, experimental y computacional trabajando juntas para crear algo nuevo”, dijo el ingeniero de investigación de materiales del NIST, Marcos Reyes-Martínez. “La mejora de los auxéticos permitirá que se vuelvan más comunes en nuestra vida cotidiana”.
Los investigadores patentaron el algoritmo, así como el mecanismo subyacente y su implementación mediante impresión 3D.
