Tendencias21

Congelar para fabricar: nuevo método de creación de materiales fuertes y ligeros

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) de Estados Unidos han desarrollado una técnica para la fundición de congelación que permite diseñar y crear materiales fuertes, duros y de poco peso comparables con huesos, dientes, caparazones y madera. Con esta técnica, inspirada en la naturaleza, pretenden crear materiales estructurales menos pesados, con aplicaciones potenciales en transporte y generación de energía. Por Irene Benito.

Congelar para fabricar: nuevo método de creación de materiales fuertes y ligeros

En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LNBL) de EEUU, se está desarrollando una técnica para imitar la congelación de fundición que ocurre de forma natural en la naturaleza, y que permite el diseño y la creación de materiales duros, fuertes y de poco peso.

“Nuestra técnica de congelación de fundición bidireccional podría ofrecer una manera efectiva de fabricar nuevos materiales estructurales, en particular aquellos materiales avanzados, como los composites, para los que se precisa un alto nivel de control,” explica Robert Ritchie, director del presente estudio, junto a Antoni Tomsia.

La fuente de inspiración de esta técnica: «las sofisticadas arquitecturas jerarquizadas que encontramos desde la escala nano o microscópica hasta la escala macroscópica, en ciertos materiales naturales. Estos materiales, además, tienen propiedades asombrosas, a pesar de ser porosos y de estar formados por componentes débiles», añade Ritchie.

Dirigiendo partículas

Usando una técnica de congelación de fundición bidireccional, los científicos indujeron el ensamblaje de partículas de cerámica en andamios alineados, a escala de centímetros. Como resultado, obtuvieron estructuras laminales (en capas alternadas) y porosas, similares al nácar.

Estas estructuras se lograron cubriendo un instrumento de laboratorio llamado «dedo frío » (se utiliza para generar superficies frías localizadas) con una cuña de polidimetilsiloxano con diferentes capas. Así fue como se alcanzó la nucleación controlada y el crecimiento de cristales de hielo, durante el proceso de congelación bajo gradientes de temperatura dual.

La naturaleza como fuente de inspiración

La naturaleza, aun trabajando desde una selección de componentes limitados y a una temperatura ambiente, ha aprendido a crear una gran variedad de materiales diversos con increíbles, elegantes y complejas arquitecturas moleculares en estos últimos billones de años. Estos materiales suelen ser fuertes, duros y poco pesados – propiedades que tienden a ser mutuamente excluyentes.

“La increíble habilidad de la naturaleza para combinar propiedades de componentes en un material que actúa mucho que mejor que la suma de sus partes sirve como fuente de inspiración para todo diseñador de materiales,” afirma Ritchie.

“Las estructuras porosas de cerámica, en particular, son prácticas para un amplio abanico de usos, como la ingeniería de tejidos, las espumas, los electrodos de pilas de combustible, los filtros para la purificación de agua, etc», añade el investigador.

Los humanos hemos intentado emular a la naturaleza en la fabricación de materiales a través de diversas técnicas, que hasta ahora han resultado costosas y limitadas. Algunas de estas técnicas pueden también ser negativas para el medioambiente o no proporcionar un control suficientemente preciso de desarrollo de la estructura final.

La técnica empleada en este caso ayuda a superar estas limitaciones. Aunque la congelación de fundición convencional tiene una seria limitación que dificulta la fabricación de estructuras con capas ampliadas, destinadas a aplicaciones más extensas, los científicos parecen haber superado este aspecto.

En la congelación de fundición convencional, el material fundido comienza a congelarse bajo el gradiente de temperatura del dedo de frío. La nucleación del hielo ocurre bajo dicho dedo de frío de forma aleatoria, y se crean múltiples cristales de hielo con varias orientaciones.

La cuña de polidimetilsiloxano evita esto, pues tiene diferentes temperaturas por capas. Así, permite ajustar la tasa de enfriamiento, los dos gradientes de temperatura, en dirección vertical u horizontal. Bajo estas condiciones, el líquido comienza a congelarse de abajo a arriba de la cuña, y los  cristales de hielo crecen en dos direcciones (solo): verticalmente alejándose del “dedo frío “y horizontalmente a lo largo de la cuña de polidimetilsiloxano. El resultado, después de la sublimación y la sinterización, es una estructura laminar a escala de centímetros.
 
Potenciales aplicaciones

Los investigadores de Berkely han testado ya de forma satisfactoria la técnica de congelación bidireccional con partículas de hidroxiapatita, el componente principal del esmalte de los dientes y del mineral óseo.

Creen que, a corto plazo, las aplicaciones más probables para los materiales fabricados con esta técnica sean los implantes médicos, óseos y ortopédicos. Esto es porque el material obtenido es rígido, fuerte y duro y tiene  propiedades mecánicas similares a las del hueso.

Referencia bibliográfica:

Hao Bai, Yuan Chen, Benjamin Delattre, Antoni P. Tomsia, Robert O. Ritchie. Bioinspired large-scale aligned porous materials assembled with dual temperature gradients. Science Advances
 

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • La muerte los llama y ellos se juntan 13 febrero, 2024
    Un experimento desarrollado en "granjas de cadáveres" permitió comprobar que la descomposición de cuerpos humanos y de otras especies atrae siempre a las mismas variedades de microorganismos y hongos, sin importar el clima, la estación del año o la ubicación en el globo. Un mejor conocimiento de esta comunidad "universal" de descomponedores permitirá importantes avances […]
    Pablo Javier Piacente
  • Una corriente oceánica fundamental para el equilibrio climático podría anticipar su colapso 13 febrero, 2024
    Los científicos han descubierto una señal de advertencia clave antes que una corriente crucial del Atlántico colapse y sumerja al hemisferio norte en un verdadero caos climático: la Circulación de Vuelco Meridional del Atlántico (AMOC) genera una liberación de calor que ayuda a mantener a Europa, y también en parte a América del Norte, más […]
    Pablo Javier Piacente
  • Toda la biblioteca privada de Darwin ya está disponible en Internet 13 febrero, 2024
    La biblioteca privada de Charles Darwin ha sido completamente reconstruida y está disponible en Internet por primera vez, coincidiendo con el 215 cumpleaños del naturalista. El catálogo, de 300 páginas, contiene 7.400 títulos con un total de 13.000 volúmenes entre libros, escritos y revistas, que están al alcance de todo el mundo sin salir de […]
    Redacción T21
  • El metro de Londres implanta IA para vigilar la red subterránea 13 febrero, 2024
    El metro de Londres ha probado herramientas de vigilancia con IA en tiempo real para detectar posibles situaciones de riesgo o de conflicto y permitir al personal intervenir rápidamente. Detecta comportamientos agresivos e identifica a las personas que se cuelan sin pagar.
    Redacción T21
  • La memoria universal promete revolucionar a la informática 12 febrero, 2024
    La memoria universal podría reemplazar tanto a la RAM como al almacenamiento interno en los ordenadores de uso masivo, brindando una alternativa más rápida y más eficiente a nivel energético. Un nuevo estudio muestra un posible enfoque revolucionario de la memoria universal: empleando un nuevo material denominado GST467, los investigadores apreciaron que la memoria mejora […]
    Pablo Javier Piacente
  • Los relámpagos volcánicos habrían encendido la llama de la vida en la Tierra primitiva 12 febrero, 2024
    Cuando la Tierra era joven y salvaje, los procesos en nuestro planeta transformaron una mezcla de ingredientes en lo necesario para impulsar la vida. Para esto es crucial el nitrógeno, un nutriente esencial para formar proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos. Los científicos han descubierto evidencias geológicas que indican que las descargas de rayos asociadas con […]
    Pablo Javier Piacente
  • La genética tiene mucho que decir sobre el asesinato de una madre adoptiva 12 febrero, 2024
    Según la genética, el comportamiento de los hijos adoptados está mayoritariamente influido por los padres biológicos, mientras que el parecido entre padres e hijos en una familia adoptiva es muy pequeño. Además, un hijo adoptado no tiene vínculos genéticos con su madre adoptiva y puede heredar ciertas maneras de pensar de sus padres biológicos, especialmente […]
    Eduardo Costas | Catedrático de la UCM y Académico de Farmacia
  • Europa logra un récord mundial de fusión nuclear 12 febrero, 2024
    En un importante logro científico, investigadores de la instalación Joint European Torus (JET) han establecido un récord energético mundial de 69 megajulios liberados en energía de fusión sostenida y controlada. Otro impulso para el futuro reactor europeo a gran escala ITER.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Un árbol fosilizado hace 350 millones de años sorprende a los científicos: parece alienígena 11 febrero, 2024
    Un fósil tridimensional de árboles más antiguos que los dinosaurios revela que los bosques de hace 350 millones de años eran extraños y alienígenas. Formaban parte de un bosquecillo que fue sepultado después de un terremoto.
    Redacción T21
  • El meteorito de Berlín resultó ser un raro objeto de origen ígneo 11 febrero, 2024
    El asteroide que se desintegró sobre Berlín a mediados de enero pertenece a un tipo raro de meteorito de origen ígneo. Se compone principalmente de silicatos de magnesio, enstatita y forsterita, además casi no contiene hierro y tiene una corteza vítrea translúcida.
    Redacción T21