El campo de las ciencias de los materiales es muy amplio, y hay situaciones atípicas en que el comportamiento de los materiales se escapa a la lógica clásica. Los avances en la tecnología permiten el diseño de nuevos materiales, con propiedades mecánicas inusuales y avanzadas funcionalidades. Sin duda ha sido un campo de investigación muy activo dentro de la física, y los materiales auxéticos son uno de ellos.
Más de alguna vez habrás jugado con una banda elástica, sabemos que al estirarla, las partículas que conforman la banda se reagrupan, adelgazándose en el centro del elástico, algo lógico y sensato de entender, es la misma situación con un ensayo de tracción de una barra metálica de acero o aluminio:
Chile no se queda atrás en esta materia, tanto así que un grupo de investigadores de las Universidades de Chile y Católica en conjunto con Millennium Nucleus ha estudiado los materiales auxéticos (o augéticos) que tienen comportamientos que escapan de nuestra lógica. Por ejemplo, estos materiales al estirarse en vez de volverse más delgados, como suele suceder, se expanden y se tornan más gruesos, pero al comprimirlos, se hacen más delgados.
En particular, el estudio realizado por este grupo concluye que han logrado formular una ley que establece cómo se comportan estos materiales (de manera exacta), desde el punto de vista físico. Y que, por lo tanto, puede ayudar a darles una forma, tal como lo describe Daniel Acuña, investigador del Departamento de Física de la Universidad de Chile.
“Establecimos una ley general que nos permite entender mejor estos materiales y crear nuevos tipos también”
Según Daniel, además, estos materiales pueden tener múltiples aplicaciones, en áreas como la ingeniería, la medicina e incluso la moda.
Entre los usos de estos materiales se menciona, por ejemplo, para nuevos cascos o parachoques, que pudiesen soportar mejor los impactos. En la medicina, nuevos parches para el corazón que tengan más flexibilidad. También, se podrían crear robots pequeños o ropa que se ajuste mejor a cada cuerpo.
Por último, Daniel Acuña indica que esta investigación permite añadir la propiedad auxética a cualquier material moderno, creando nuevas e interesantes funcionalidades.
Forma de trabajo y propiedades de los materiales auxéticos
Se realizaron diversos diseños junto a simulaciones en elementos finitos y simulaciones numéricas, para así lograr determinar las leyes que rigen estos materiales. Lo elementos finitos son una modelación matemática de cuerpos continuos, por lo general se usa pequeños elementos como triángulos que completan el cuerpo continuo. Esta subdivisión del cuerpo en triángulos pequeños se llama discretización.
Los vértices de los triángulos se unen a otros triángulos, convirtiéndose estos puntos en nudos. Estos modelos permiten estudiar con precisión los esfuerzos y deformaciones de los nodos.
Por su parte, los materiales de tipo auxéticos, comúnmente no se discretizan en triángulos, sino en una combinación de diferentes elementos pequeños, tal como se ve los videos anteriores:
La imagen anterior, corresponde a la figura Nº1 del paper desarrollado para publicar en Nature, en ella se describe el proceso compresión uniaxial de los modelos:
- La primera fila son los tres modelos 3D reales de resina creados por una impresora 3D.
- La segunda fila corresponde a los modelos bajo estrés o esfuerzos de compresión (vistos en los videos).
- La tercera fila representa la modelación de elementos finitos de los modelos reales, en color azul los esfuerzos son mínimo y de color rojo (puntos), son las zonas de mayores tensiones.
Los modelos tridimensionales, fueron realizados por medio de impresión 3D en resina, trabajo que tuvo una duración de al menos un año. Gracias a esto, ahora están buscando nuevas aplicaciones y formas de estos materiales para ver en otros campos de la industria y en nuestra vida diaria.
¿Qué ocurre finalmente con los materiales auxéticos?
Cuando son comprimidos axialmente se tornan más esbeltos en el sentido de la fuerza de compresión aplicada. Sin embargo, hasta ahora no había sido posible desarrollarlos mediante un diseño sistémico y controlado. En el paper se describe un procedimiento de tres pasos para crear nuevos materiales de tipo auxéticos.
Equipo de trabajo y financiamiento
El equipo de trabajo de esta investigación está compuesto por:
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Santiago, Chile
Daniel Acuña, Francisco Gutiérrez & Álvaro S. Núñez
ANID – Núcleo Milenio de Metamateriales Mecánicos Inteligentes Blandos, Santiago, Chile
Daniel Acuña, Francisco Gutiérrez, Rodrigo Silva, Humberto Palza, Alvaro S. Núñez & Gustavo Düring
Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Santiago, Chile
Rodrigo Silva y Humberto Palza
CEDENNA, Santiago, Chile
Álvaro S. Núñez
Instituto de Física, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile
Gustavo During
Todo este trabajo, en parte pudo ser logrado gracias al apoyo de una beca Fondecyt y financiamiento Basal para Centros Científicos y Tecnológicos de Excelencia. También hubo financiamiento de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), en particular del programa de Becas.
Y, por último, mencionar un aporte no directamente en lo económico, sino que en lo intelectual, de parte de C. Coulais y C. Falcon, quienes ayudaron a un útil debate sobre auxética durante este proyecto.
Si te interesa esta investigación y quieres conocer más detalles del trabajo realizado y sus resultados, te invitamos a visitar la publicación original “A three step recipe for designing auxetic materials on demand“
¿Qué te parece el trabajo de los científicos chilenos sobre los materiales auxéticos?
