Imagen de la estructura del nuevo material. Foto: Berkeley Lab.
Investigadores de la Universidad de California en Berkeley han desarrollado un método para fabricar un material parecido al nácar. Este nuevo material tiene propiedades mecánicas similares a las del acero y es la cerámica más resistente jamás creada en un laboratorio. Este nuevo método podría ser el punto de partida para usar la cerámica como material estructural en edificios o como chasis de coches ligeros y fuertes.
Las cerámicas son duras y muy ligeras, pero es complicado construir nada con ellas porque se haría añicos como un plato. Los científicos han estado intentando mimetizar materiales de la naturaleza que combinen fuerza y resistencia. Lo más cercano que han encontrado es el nácar, un material poroso pero enormemente resistente, que se encuentra en la concha de ciertos crustáceos.
El nácar combina láminas de carbonato de calcio con una proteína que funciona como pegamento para formar una estructura que es 3.000 veces más resistente que el carbonato de calcio y la proteína por separado. Habitualmente, cuando los científicos hacen compuestos de este tipo en el laboratorio, las propiedades del material resultante no alcanzan un porcentaje de resistencia tan alta respecto a los componentes de los que procede.
Durante años, los ingenieros han intentado diseñar nuevos materiales basados en materiales muy fuertes, como el nácar o nuestros propios huesos. Ahora, la cerámica ideada por Berkeley indica que tomar como inspiración la naturaleza para sintetizar mejores materiales puede funcionar.
Óxido de aluminio
Para dar forma a su cerámica imitando las estructuras del nácar, los investigadores crearon en primer lugar una suspensión acuosa de óxido de aluminio. Después, la enfriaron de manera muy controlada. Esto permite obtener estructuras largas y delgadas que los investigadores prensaron en micro estructuras parecidas a ladrillos tras evaporar el agua (mediante calor) Si se repite este proceso, se va creando una estructura porosa de capas de óxido de aluminio que se conectan entre sí, parecida a la forma que encontramos en el nácar natural. Después, para imitar esa proteína que funciona como pegamento, los investigadores de Berkeley han usado un polímero que rellena los huecos entre las distintas capas.
“La clave para la resistencia de los materiales es su capacidad para dispersar la energía”, comenta Robert Ritchie, del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de California en Berkeley y que ha liderado este proyecto, en un comunicado. “Infiltrando un polímero entre las diferentes capas de óxido de aluminio es posible que éstas se desplacen unas sobre otras cuando se les aplica peso. De esta manera dispersan la energía. El polímero actúa como un lubricante”.
Sin este polímero, el nuevo material se partiría en mil pedazos, como la mayor parte de las cerámicas, pero de esta manera, las capas antes descritas pueden deslizarse unas sobre otras cuando son sometidas a presión, haciéndolas resistentes a roturas.
Esta estructura ha dado como resultado la cerámica más resistente jamás creada en el laboratorio. De este modo, sus creadores han conseguido algo complicado, como es unir mucha fuerza y mucha resistencia en un mismo material. En concreto, la nueva cerámica de Berkely tiene tanta fuerza y resistencia como el acero.
Las cerámicas son duras y muy ligeras, pero es complicado construir nada con ellas porque se haría añicos como un plato. Los científicos han estado intentando mimetizar materiales de la naturaleza que combinen fuerza y resistencia. Lo más cercano que han encontrado es el nácar, un material poroso pero enormemente resistente, que se encuentra en la concha de ciertos crustáceos.
El nácar combina láminas de carbonato de calcio con una proteína que funciona como pegamento para formar una estructura que es 3.000 veces más resistente que el carbonato de calcio y la proteína por separado. Habitualmente, cuando los científicos hacen compuestos de este tipo en el laboratorio, las propiedades del material resultante no alcanzan un porcentaje de resistencia tan alta respecto a los componentes de los que procede.
Durante años, los ingenieros han intentado diseñar nuevos materiales basados en materiales muy fuertes, como el nácar o nuestros propios huesos. Ahora, la cerámica ideada por Berkeley indica que tomar como inspiración la naturaleza para sintetizar mejores materiales puede funcionar.
Óxido de aluminio
Para dar forma a su cerámica imitando las estructuras del nácar, los investigadores crearon en primer lugar una suspensión acuosa de óxido de aluminio. Después, la enfriaron de manera muy controlada. Esto permite obtener estructuras largas y delgadas que los investigadores prensaron en micro estructuras parecidas a ladrillos tras evaporar el agua (mediante calor) Si se repite este proceso, se va creando una estructura porosa de capas de óxido de aluminio que se conectan entre sí, parecida a la forma que encontramos en el nácar natural. Después, para imitar esa proteína que funciona como pegamento, los investigadores de Berkeley han usado un polímero que rellena los huecos entre las distintas capas.
“La clave para la resistencia de los materiales es su capacidad para dispersar la energía”, comenta Robert Ritchie, del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de California en Berkeley y que ha liderado este proyecto, en un comunicado. “Infiltrando un polímero entre las diferentes capas de óxido de aluminio es posible que éstas se desplacen unas sobre otras cuando se les aplica peso. De esta manera dispersan la energía. El polímero actúa como un lubricante”.
Sin este polímero, el nuevo material se partiría en mil pedazos, como la mayor parte de las cerámicas, pero de esta manera, las capas antes descritas pueden deslizarse unas sobre otras cuando son sometidas a presión, haciéndolas resistentes a roturas.
Esta estructura ha dado como resultado la cerámica más resistente jamás creada en el laboratorio. De este modo, sus creadores han conseguido algo complicado, como es unir mucha fuerza y mucha resistencia en un mismo material. En concreto, la nueva cerámica de Berkely tiene tanta fuerza y resistencia como el acero.
Coches ligeros
Los científicos se muestran muy cautos con este hallazgo, ya que la investigación está todavía en sus primeras etapas, pero en principio esta cerámica debería permitir aplicaciones impensables hasta ahora. “Se podría usar cerámica para fabricar el chasis de un coche, en lugar de acero, lo cual permitiría ahorrar mucho combustible, al ser más ligera”, comenta Ritchie.
Asimismo, sería susceptible de usarse como elementos estructurales en edificios eficientes energéticamente, ya que la cerámica tiene unas magníficas propiedades aislantes. Otra de sus aplicaciones sería como chaleco antibalas o como carcasa para vehículos militares.
El nuevo trabajo, cuyos resultados han sido presentados en la revista Science, muestra el camino a seguir para biomimetizar materiales resistentes.
En este sentido, Ritchie confía en poder mejorar todavía más esta nueva generación de cerámicas. Su grupo trabaja ahora para hacer los “ladrillos” de cerámica todavía más pequeños y más conjuntados para reducir la cantidad de polímero entre ellos. La presencia de tanto polímero hace que el nuevo material pudiera fallar en entornos con mucha temperatura, como dentro de un motor, por ejemplo. En concreto, están experimentando con un relleno de metal, capaz de soportar más temperatura.
Los científicos se muestran muy cautos con este hallazgo, ya que la investigación está todavía en sus primeras etapas, pero en principio esta cerámica debería permitir aplicaciones impensables hasta ahora. “Se podría usar cerámica para fabricar el chasis de un coche, en lugar de acero, lo cual permitiría ahorrar mucho combustible, al ser más ligera”, comenta Ritchie.
Asimismo, sería susceptible de usarse como elementos estructurales en edificios eficientes energéticamente, ya que la cerámica tiene unas magníficas propiedades aislantes. Otra de sus aplicaciones sería como chaleco antibalas o como carcasa para vehículos militares.
El nuevo trabajo, cuyos resultados han sido presentados en la revista Science, muestra el camino a seguir para biomimetizar materiales resistentes.
En este sentido, Ritchie confía en poder mejorar todavía más esta nueva generación de cerámicas. Su grupo trabaja ahora para hacer los “ladrillos” de cerámica todavía más pequeños y más conjuntados para reducir la cantidad de polímero entre ellos. La presencia de tanto polímero hace que el nuevo material pudiera fallar en entornos con mucha temperatura, como dentro de un motor, por ejemplo. En concreto, están experimentando con un relleno de metal, capaz de soportar más temperatura.