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23 de enero de 2017
 
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UN MATERIAL DE EDIFICACIÓN 10 VECES MÁS FUERTE QUE EL ACERO
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  • Los alumnos deberán remitir a su tutor un análisis sobre usos de nuevos materiales en edificación e ingeniería de grandes infraestructuras.
Se trata del grafeno que puede ser 10 veces más fuerte que el acero, pero mucho más ligero. Este vídeo explica sus cualidades. Un equipo de investigadores del MIT ha diseñado un nuevo material mediante la compresión y la fusión de copos de grafeno, una forma bidimensional de carbono. Por ejemplo, el hormigón de una estructura de un puente podría hacerse con esta geometría porosa, proporcionando una resistencia comparable con una fracción del peso. Este enfoque tendría la ventaja adicional de proporcionar un buen aislamiento debido a la gran cantidad de espacio aéreo encerrado dentro de ella. El nuevo material tiene una configuración similar a una esponja con una densidad de solo 5 por ciento y puede tener una resistencia 10 veces mayor que la del acero. En su forma de dos dimensiones se cree que el grafeno es el más fuerte de todos los materiales conocidos. Los nuevos resultados muestran que el aspecto crucial de las nuevas formas 3-D que tiene más que ver con su configuración geométrica inusual que con el material en sí, lo que sugiere que los materiales fuertes, ligeros similares podrían hacerse de una variedad de materiales, creando similares características geométricas. Otros grupos han sugerido la posibilidad de otras estructuras ligeras pero los experimentos de laboratorio hasta el momento no han podido coincidir con las predicciones. El equipo del MIT decidió resolver el misterio, analizando el comportamiento de la materia a nivel de átomos individuales dentro de la estructura. Ellos fueron capaces de producir un marco matemático que coincide muy de cerca las observaciones experimentales.


Los resultados se reportan en la revista La ciencia avanza , en un artículo de Markus Buehler, el jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) y el Profesor McAfee de Ingeniería del MIT; Zhao Qin, un científico de investigación de CEE; Gang, Seob Jung, un estudiante graduado; y Min Jeong Kang Meng '16, un recién graduado.

Bidimensionales son laminas planas que son básicamente de sólo un átomo de espesor, pero puede ser indefinidamente grande en las otras dimensiones - tienen una resistencia excepcional, así como propiedades eléctricas únicas. Pero debido a su extraordinaria delgadez, "que no son muy útiles para la fabricación de materiales de 3-D que podrían ser utilizados en vehículos, edificios o dispositivos", dice Buehler. "Lo que hemos hecho es hacer realidad el deseo de traducir estos materiales en 2-D en estructuras tridimensionales."

El equipo fue capaz de comprimir los pequeños copos de grafeno utilizando una combinación de calor y presión. Este proceso produce una estructura fuerte y estable cuya forma se asemeja a la de algunos corales y criaturas microscópicas llamadas diatomeas. Estas formas, que tienen una enorme área de superficie en proporción a su volumen, demostró ser extraordinariamente fuerte. 

"Una vez que hemos creado estas estructuras en 3-D, lo que queríamos ver lo que es el límite – 

¿Cuál es el material más fuerte posible, podemos producir", dice Qin. Para ello, crearon una variedad de modelos en 3-D y luego los sometieron a diversas pruebas. En las simulaciones computacionales, que imitan las condiciones de carga en los ensayos de tracción y compresión en una máquina para la carga de tracción, "una de nuestras muestras dispone de un 5 por ciento de la densidad del acero, pero 10 veces la fuerza", dice Qin.

Buehler dice que lo que sucede a su material grafeno 3-D, que se compone de superficies curvas bajo deformación, se asemeja a lo que sucedería con hojas de papel. El papel tiene poca fuerza a lo largo de su longitud y anchura, y se puede arrugado fácilmente. Pero cuando se formuló en ciertas formas, por ejemplo enrollado en un tubo, de repente la fuerza a lo largo de la longitud del tubo es mucho mayor y puede soportar el peso sustancial. Del mismo modo, la disposición geométrica de los copos de grafeno después del tratamiento se forma naturalmente una configuración muy fuerte.

Las nuevas configuraciones se han realizado en el laboratorio utilizando una alta resolución, de múltiples materiales impresora 3-D. Se ensayaron mecánicamente por su resistencia a la tracción y propiedades de compresión, y su respuesta mecánica bajo carga fue simulada utilizando modelos teóricos del equipo. Los resultados de los experimentos y simulaciones coinciden con precisión.

Los nuevos resultados, más precisos, basado en el modelado computacional atomizada por el equipo del MIT, descartaron la posibilidad propuesto anteriormente por otros equipos: para que sea posible realizar estructuras de grafeno en 3-D tan ligero que en realidad podrían ser más ligero que el aire, y podría ser utilizado como un reemplazo para el helio durable en globos. Los programas de trabajo actuales, sin embargo, que en tales densidades bajas, el material no tendrían suficiente resistencia y se derrumbaría de la presión del aire circundante.

Pero muchas otras posibles aplicaciones del material podrían llegar a ser factible, dicen los investigadores, para los usos que requieren una combinación de fuerza extrema y peso ligero. "Se podría utilizar el material de grafeno real o utilizar la geometría descubrimos con otros materiales, como polímeros o metales," Buehler dice, para obtener ventajas similares de la fuerza combinada con ventajas en costos, métodos de procesamiento, u otras propiedades del material (por ejemplo, la transparencia o la conductividad eléctrica).

"Puede reemplazar el material en sí mismo con cualquier cosa," dice Buehler. "La geometría es el factor dominante. Es algo que tiene el potencial para transferir a muchas cosas ".

La misma geometría incluso se podría aplicar a los materiales estructurales de gran escala, que sugieren. Por ejemplo, el hormigón de una estructura de un puente podría hacerse con esta geometría porosa, proporcionando una resistencia comparable con una fracción del peso. Este enfoque tendría la ventaja adicional de proporcionar un buen aislamiento debido a la gran cantidad de espacio aéreo encerrado dentro de ella.

Debido a que la forma está plagado de espacios de poros muy pequeñas, el material también podría encontrar aplicación en algunos sistemas de filtración, ya sea agua o procesos químicos. Las descripciones matemáticas obtenidas por este grupo podrían facilitar el desarrollo de una variedad de aplicaciones, dicen los investigadores.

"Este es un estudio inspirador en la mecánica del conjunto de grafeno 3-D", dice Huajian Gao, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown, que no participó en este trabajo. "La combinación de modelado computacional con los experimentos 3-D-basados de impresión utilizados en este trabajo es un nuevo enfoque de gran alcance en la investigación en ingeniería. Es impresionante ver las leyes de escala inicialmente derivadas de simulaciones a escala nanométrica resurgir en experimentos macroescala bajo la ayuda de la impresión 3-D ", dice.

Este trabajo, Gao dice, "muestra una dirección prometedora de lo que la dotación de materiales en 2-D y el poder de la arquitectura de diseño de material juntos."

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Defensa de la Iniciativa de Investigación Multidisciplinar Universidad y Centro de América del Norte-BASF para la Investigación de Materiales Avanzados.
 

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