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jueves, 23 de febrero de 2017

Nuevo metamaterial consigue llegar a los límites teóricos de la rigidez

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Los científicos han demostrado que el diseño de su nuevo metamaterial 3D es la primera estructura de este tipo capaz de alcanzar el límite teórico de la rigidez.

Llamado Isomax, este material es una espuma dura basada en una formación repetitiva de celdas con formas geométricas. Las estructuras de este tipo son un ejemplo de lo que se llama un material heterogéneo -constituido por diferentes componentes- y a pesar de que Isomax está formado en su mayor parte por aire y espacio vacío, realmente es el compuesto más duro de este tipo que se haya diseñado.

"La geometría de Isomax es de la máxima rigidez en todas las direcciones", explica el científico de materiales Jonathan Berger, de la Universidad de California en Santa Bárbara.

Berger concibió su diseño en 2015, mientras buscaba un material de la mayor rigidez posible en relación con su ligereza.

La idea fue encontrar una estructura de celdas 3D reiterativa -como de nido de abeja- pero que a su vez ofreciera muy baja densidad en términos de masa total, con la máxima rigidez posible y resistencia a la compresión.

Ahora, en un nuevo paper, Berger y su equipo ha realizado copias de su modelado inicial por ordenador, con nuevos cálculos, donde muestran que la estructura geométrica de Isomax llega a los límites de la rigidez elástica, tal como fue formulada en un teorema llamado los límites Hashin-Shtrikman.

Isomax aún no ha sido fabricado, pero su rigidez, en teoría, proviene de la combinación de dos formas básicas, un triángulo y una cruz. Usando estos dos motivos, la repetición de celdas de Isomax compone una serie de pirámides reforzadas por paredes interiores.

Según los investigadores, las paredes cruzadas son perfectas para resistir fuerzas de aplastamiento perpendiculares, mientras que las formas piramidales proporcionan estabilidad y resisten fuerzas transversales (no alineadas) desde direcciones opuestas.


Debido a que el diseño de la celda implica que Isomax tiene principalmente espacio vacío, la espuma termina siendo increíblemente ligera y de una extrema capacidad de resiliencia (recuperación), lo que lleva a Berger a describirlo como "la más eficiente espuma del Universo". "Dado que tiene ciertas simetrías y alineamientos y alcanza los límites teóricos para la rigidez, no hay ningún otro material parecido", explicó en 2015.

El siguiente paso para el equipo es investigar el potencial de este metamaterial en el mundo real. Un análisis experimental les permitirá probar la capacidad de resiliencia física de Isomax en el laboratorio, y también está buscando en los procesos de fabricación, de manera que permitan fabricar la estructura de manera eficiente.

Una vez fabricado, el equipo prevé que Isomax sea utilizado prácticamente en todo, desde nuevos tipos de materiales de embalaje a dispositivos protésicos ligeros. "También será un excelente material aislante térmico y de absorción de sonidos", añadía Haydn N. G. Wadley, de la Universidad de Virginia.

"Las aplicaciones potenciales de este material ultraligero es probable que surjan en estructuras aeroespaciales, en automóviles ligeros de peso y muchas máquinas robóticas, y especialmente en dispositivos móviles que portan su propio encendido y maniobrabilidad."

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Traducido por Pedro Donaire
Ref. Science Alert.com, 22 feb. 2017, por Peter Dockrill
"This New Metamaterial Is the First to Reach the Theoretical Limits of Stiffness"
Publicación: Journal Nature.
Imágenes: UCSB Engineering

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