Científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT, Alemania) presentan en la revista Nature Materials la estructura en retículo más pequeña hecha por el hombre. Sus puntales y riostras están hechas de carbono vítreo y tienen menos de 1 micra de largo y 200 nanómetros (0,2 micras) de diámetro. Son cinco veces más pequeñas que otros metamateriales comparables.
El pequeño tamaño permite ratios hasta ahora no alcanzadas de fuerza respecto a densidad. Podría tener aplicaciones como electrodos, filtros o componentes ópticos.
«En la naturaleza los materiales de construcción ligeros, como los huesos y la madera, se encuentran por todas partes», explica Jens Bauer, primer autor del estudio, en la nota de prensa de KIT. «Tienen una gran capacidad de carga y peso pequeño y, por tanto, sirven como modelos para los metamateriales mecánicos para aplicaciones técnicas.»
Los metamateriales son materiales cuyas estructuras de pocos micrómetros (millonésimas de metro) de tamaño se planifican y fabrican específicamente para que tengan propiedades mecánicas u ópticas que no pueden ser alcanzadas por los sólidos no estructurados.
Ejemplos de ellos son: capas de invisibilidad que guían la luz, el sonido o el calor alrededor de los objetos; materiales que reaccionan de forma contraintuitiva a la presión y la cizalla (materiales augéticos, que crecen cuando aparentemente deberían encoger); o nanomateriales ligeros de alta estabilidad específica (fuerza por unidad de superficie y densidad).
La estructura reticular estable más pequeña del mundo presentada ahora fue producida en primer lugar mediante un proceso de litografía láser 3D ya existente. La estructura deseada de tamaño micrométrico se endurece con rayos láser en una resina fotosensible, de forma controlada por ordenador.
Sin embargo, la resolución de este proceso es limitada, de tal manera que sólo se pueden producir puntales de aproximadamente 5 – 10 micras de longitud y 1 micra de diámetro.
En una etapa posterior, la estructura fue, por tanto, reducida y vitrificada por pirólisis. Por primera vez, se utilizó este sistema para la fabricación de celosías microestructuradas. El objeto se expone a temperaturas de alrededor de 900 ° C en un horno de vacío.
Como resultado, los enlaces químicos se reorientan. Excepto el carbono, todos los elementos escapan de la resina. El carbono no ordenado se mantiene en la estructura reticular encogida en forma de carbón vítreo. Los investigadores sometieron las estructuras resultantes a pruebas de estabilidad bajo presión.
Límite
«De acuerdo a los resultados, la capacidad de carga de la red está muy cerca del límite teórico y muy por encima de la del carbón vítreo no estructurado», señala Oliver Kraft, co-autor del estudio.
Hasta finales del año pasado, Kraft dirigió el Instituto de Materiales Aplicados de KIT. Este año ha asumido el cargo de vicerrector de Investigación. «El diamante es el único sólido que tiene una estabilidad específica más alta.»
Los materiales microestructurados se utilizan a menudo para el aislamiento o la absorción de impactos. Los materiales de poros abiertos se pueden usar como filtros en la industria química. Los metamateriales también tienen propiedades ópticas extraordinarias que se aplican en las telecomunicaciones.
El carbono vítreo es un material de alta tecnología hecho de carbono puro. Combina las propiedades vítreas y cerámicas con las propiedades del grafito y tiene interés por su uso en electrodos de baterías o sistemas de electrólisis.
Referencia bibliográfica:
J. Bauer, A. Schroer, R. Schwaiger, O. Kraft: Approaching theoretical strength in glassy carbon nanolattices. Nature Materials (2016). DOI: 10.1038/nmat4561.