viernes, 18 de noviembre de 2011

Una estructura metálica más ligera que el aire.

Microrred ultraligera de níquel-fósforo. Cortesía de HRL.

En las historias de ciencia ficción las naves, herramientas y armas de los extraterrestres casi siempre están hechas de un material “muy ligero, extremadamente resistente y de una estructura y composición desconocidas”. Un material que acaba de presentarse en Science hace que empecemos a plantearnos si no seremos nosotros los alienígenas.

Para empezar el material ha batido el récord mundial de menor densidad para un material estructural que hasta ahora lo poseía un aerogel con una densidad de 1 mg/cm3, inferior a la del propio aire (1,2 mg/cm3). La microrred metálica creada por el equipo encabezado por Tobias Schaedler, de los laboratorios HRL (EE.UU.), tiene una densidad de sólo 0,9 mg/cm3, aún así presenta una capacidad muy alta para absorber energía y recuperar la forma tras una compresión. Estas dos características hacen que se le pueda encontrar aplicaciones en campos diversos, desde la astronáutica y aeronáutica hasta los elementos para la absorción de impactos o la de ruidos.

La microrred consiste en una red muy ordenada y controlada de riostras huecas interconectadas, hechas de una aleación de fósforo y níquel. En la muestra prototipo las riostras tenían unas 100 μm de diámetro y las paredes un espesor de 100 nm. Debido a la importancia de la estructura en las características mecánicas, el proceso de obtención es tanto o más importante que la composición química. Y espectacular.

Para crear la estructura primero hay que crear una plantilla de polímero. Para ello se coloca un placa opaca con agujeros circulares según un patrón sobre un depósito de monómero de tiol-eno fotosensible en estado líquido. Se ilumina la placa con luz ultravioleta y donde la luz llega al monómero, éste polimeriza; la polimerización supone un cambio en el índice de refracción con respecto al monómero, por lo que conforme la polimerización avanza se va creando un túnel óptico por el que la luz se ve dirigida, como en una fibra óptica. Esto es, se forma una guía de ondas del fotopolímero autopropagada o, para visualizarlo mejor, una “fibra” dentro del depósito de monómero líquido. Eligiendo placas distintas se puede conseguir que estas fibras tengan distintas direcciones y que se intersecten, creando una red interconectada. Se elimina entonces el monómero que no ha reaccionado con un disolvente y el resultado es una estructura de microrred, en la que las guías de onda autopropagadas son los miembros estructurales de la red, las riostras.

Esta plantilla de la red se sumerge entonces en una disolución de catalizador antes de introducirla en una disolución de niquel-fósforo. La aleación de níquel-fósforo se deposita catalíticamente en la superficie de las riostras de polímero hasta un espesor de 100 nm. Una vez terminada la deposición, el polímero se elimina con hidróxido sódico, lo que deja una geometría de red idéntica pero de tubos huecos de níquel-fósforo. La estructura es tan liviana que si tomamos una unidad de volumen sólo el 0,01% estará ocupado por la aleación, de aquí la densidad tan sumamente baja.

Al igual que ocurre con las construcciones de ingeniería, las propiedades de la estructura son diferentes a la de la aleación en bruto. Ésta es muy frágil, pero cuando se comprime la microrred los tubos huecos no se parten, sino que se doblan como si fuesen pajitas de refresco, con un alto grado de elasticidad . La microrred puede comprimirse hasta la mitad de su volumen y retorna a su forma original sin daño apreciable. (Véase el vídeo).



Démonos cuenta de que el procedimiento puede aplicarse a todo compuesto que pueda depositarse formando una película, por lo que el repertorio de candidatos con los que ensayar este forma de microingeniería es amplísimo.

Entramos en el territorio inexplorado de la microingeniería estructural, cualquiera sabe hasta dónde nos llevará.


Esta entrada es una participación de Experientia docet en la IV Edición del Carnaval de la Tecnología que alberga Eureka y en la IX Edición del Carnaval de Química que acoge Hablando de ciencia.  

Referencia:

Schaedler, T., Jacobsen, A., Torrents, A., Sorensen, A., Lian, J., Greer, J., Valdevit, L., & Carter, W. (2011). Ultralight Metallic Microlattices Science, 334 (6058), 962-965 DOI: 10.1126/science.1211649


14 comentarios:

Gouki dijo...

Una idea, crear un bloque y recubrirlo de un polimero impermeable al aire. Solidos flotantes, mola!

lamperez dijo...

Sólo una pequeña corrección: waveguide se traduce como guía de ondas (a veces como guíaondas, pero es un palabro).

César dijo...

@Gouki Muchas gracias por el comentario.
Yo hacía aviones directamente. ;-)

@lamperez Muchas gracias. Corregido.

Manuel dijo...

Muy interesante, el segundo enlace no funciona.
Un saludo.

César dijo...

@Manuel Muchas gracias. Arreglado.

axotio dijo...
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
axotio dijo...

creo que tiene que haber algun error, por que si realmente tiene esa densidad flotaria en el aire xD.

supongo que en realidad tendra una densidad de 1 gramo/cm3 mientras que la densidad del aire es de 1.2 miligramos/cm3.

César dijo...

@axotio No hay error. Realmente tiene esa densidad que, igual que la del aerogel, es inferior a la del aire. Increíble, ¿verdad?

¿Por qué no flota? La clave la tienes en el primer comentario. Gracias por el tuyo.

jorge dijo...

César:
Lo que dice Axotio no es tan incorrecto. No está bien dicho decir que el material tiene una densidad inferior a la del aire. Es como si construyeras un cubo de 1m3 de palillos de mimbre y dijeras que la densidad del cubo correspondiese a la masa de las doce aristas de mimbre dividido por el volumen. Eso te daría una densidad muchísimo más inferior que la maravilla que se presenta en este artículo. Lo que dice Gouki, de recubrirlo con una material y sacarle el aire no tiene sentido, ya que la presión externa se encargaría de comprimirlo, aumentando su baja densidad MEDIA.

VENTIN dijo...

jorge pero hay entra la mecanica estructural... yo no manejo mucho pero al fin y al cabo la estructura podria tratarse como una armadura, es decir realicar los calculos para k forrada de un polimero impermeable sus caras soporten la presion exterior de tl forma k la presion manometrica sea negativa y la tresion restante exterior la armadura, si conseguimos mantener una densidad similiar pues si deberia flotar en el aire literalmente.

VENTIN dijo...

faltas de ortografia everywhere
SORRY!!! xD

Miguel dijo...

Hola a todos de parte de Miguel!
Antes que nada debo felicitar al creador/ la creadora/ los creadores de este blog, porque es bueno de verdad :D.
Tengo una duda: si el material es menos denso que el aire, pero esto se debe a que los tubos que lo componen están huecos, el interior de los tubos está completamente vacío, ¿no? (Me refiero sin ningún sin aire ni ninguna otra mezcla de gases).

Profesor Carlos Millán dijo...

Saludos. Si flota o no, eso lo establece el principio de Arquímedes. Si el material tuviese una densidad inferior a la del fluido que lo rodea, entonces efectivamente flotaría. Los barcos deben bajar su densidad teniendo "huecos de aire" para disminuir la densidad de la estructura, construida con un material más denso que el agua. En este caso, es el material el que es más ligero que el aire, de manera que independientemente de su estructura, debería "flotar". Por lo tanto, como no flota, podemos inferir que tal "material" no tiene la densidad que dice tener. Saludos.

Profesor Carlos Millán dijo...

Saludos. Si flota o no, eso lo establece el principio de Arquímedes. Si el material tuviese una densidad inferior a la del fluido que lo rodea, entonces efectivamente flotaría. Los barcos deben bajar su densidad teniendo "huecos de aire" para disminuir la densidad de la estructura, construida con un material más denso que el agua. En este caso, es el material el que es más ligero que el aire, de manera que independientemente de su estructura, debería "flotar". Por lo tanto, como no flota, podemos inferir que tal "material" no tiene la densidad que dice tener. Saludos.