En el último avance en materiales de nano y micro arquitectura, los ingenieros de Caltech han desarrollado un nuevo material hecho de numerosos nudos de microescala interconectados.
Los nudos hacen que el material sea mucho más resistente que los materiales de estructura idéntica pero sin anudar: absorben más energía y pueden deformarse más al tiempo que pueden volver a su forma original sin sufrir daños. Estos nuevos materiales anudados pueden encontrar aplicaciones tanto en biomedicina como en aplicaciones aeroespaciales debido a su durabilidad, posible biocompatibilidad y extrema deformabilidad.
«La capacidad de superar el compromiso general entre la deformabilidad del material y la tenacidad a la tracción [the ability to be stretched without breaking] ofrece nuevas formas de diseñar dispositivos que son extremadamente flexibles, duraderos y que pueden funcionar en condiciones extremas», dice Widianto P. Moestopo, exestudiante graduado de Caltech (MS ‘ 19, PhD ’22), ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Moestopo es el autor principal de un artículo sobre los nudos a nanoescala que se publicó el 8 de marzo en Avances de la ciencia.
Moestopo ayudó a desarrollar el material en el laboratorio de Julia R. Greer, profesora Ruben F. y Donna Mettler de ciencia de materiales, mecánica e ingeniería médica; el director de la Fundación Fletcher Jones del Instituto de Nanociencia Kavli; y autor principal del Avances de la ciencia papel. Greer está a la vanguardia de la creación de dichos materiales de nanoarquitectura, o materiales cuya estructura está diseñada y organizada a escala nanométrica y que, en consecuencia, exhiben propiedades inusuales y, a menudo, sorprendentes.
«Embarcarse en la comprensión de cómo los nudos afectarían la respuesta mecánica de los materiales de microarquitectura fue una nueva idea lista para usar», dice Greer. «Habíamos realizado una extensa investigación sobre el estudio de la deformación mecánica de muchos otros tipos de microtextiles, por ejemplo, entramados y materiales tejidos. Adentrarnos en el mundo de los nudos nos permitió obtener información más profunda sobre el papel de la fricción y la disipación de energía, y demostró ser significativo».
Cada nudo tiene alrededor de 70 micrómetros de alto y ancho, y cada fibra tiene un radio de alrededor de 1,7 micrómetros (alrededor de una centésima parte del radio de un cabello humano). Si bien estos no son los nudos más pequeños que se han hecho jamás (en 2017, los químicos hicieron un nudo hecho de una hebra individual de átomos), esta sí representa la primera vez que un material compuesto por numerosos nudos a esta escala jamás ha sido creado. Además, demuestra el valor potencial de incluir estos nudos a nanoescala en un material, por ejemplo, para suturar o atar en biomedicina.
Los materiales anudados, que se crearon a partir de polímeros, muestran una resistencia a la tracción que supera con creces a los materiales sin anudar pero estructuralmente idénticos, incluidos aquellos en los que las hebras individuales se entrelazan en lugar de anudarse. En comparación con sus contrapartes sin anudar, los materiales anudados absorben un 92 por ciento más de energía y requieren más del doble de tensión para romperse cuando se tiran.
Los nudos no se anudaron, sino que se fabricaron anudados mediante el uso de litografía 3D avanzada de alta resolución capaz de producir estructuras en la nanoescala. Las muestras detalladas en el Avances de la cienciaEl papel contiene nudos simples: un nudo simple con un giro adicional que proporciona fricción adicional para absorber energía adicional mientras se estira el material. En el futuro, el equipo planea explorar materiales construidos a partir de nudos más complejos.
El interés de Moestopo en los nudos surgió de la investigación que estaba realizando en 2020 durante los bloqueos de COVID-19. “Me encontré con algunos trabajos de investigadores que están estudiando la mecánica de los nudos físicos en contraposición a los nudos en un sentido puramente matemático. No me considero escalador, marinero o matemático, pero he hecho nudos a lo largo de mi vida. así que pensé que valía la pena tratar de insertar nudos en mis diseños», dice.
