Durante años, los científicos e ingenieros han sintetizado materiales a nivel de nanoescala para aprovechar sus propiedades mecánicas, ópticas y energéticas, pero los esfuerzos para escalar estos materiales a tamaños más grandes han resultado en un rendimiento e integridad estructural disminuidos.
Ahora, los investigadores dirigidos por Xiaoyu "Rayne" Zheng, profesor asistente de ingeniería mecánica en Virginia Tech, han publicado un estudio en la revista Materiales de la naturaleza que describe un nuevo proceso para crear materiales nanoestructurados metálicos impresos en 3D livianos, fuertes y súper elásticos con escalabilidad sin precedentes, un control completo de siete órdenes de magnitud de arquitecturas arbitrarias en 3-D.
Sorprendentemente, estos materiales metálicos multiescala han mostrado una gran elasticidad debido a su diseño arquitectónico jerárquico tridimensional y tubos huecos a nanoescala, lo que resulta en un aumento de más del 400 por ciento de la elasticidad a la tracción sobre metales ligeros convencionales y espumas cerámicas.
El enfoque, que produce múltiples niveles de redes jerárquicas tridimensionales con características de nanoescala, podría ser útil en cualquier lugar donde sea necesaria una combinación de rigidez, resistencia, bajo peso, alta flexibilidad, como en estructuras para desplegar enespacio, armaduras flexibles, vehículos livianos y baterías, abriendo la puerta para aplicaciones en las industrias aeroespacial, militar y automotriz.
Los materiales naturales, como el hueso trabecular y los dedos de los geckoes, han evolucionado con múltiples niveles de arquitecturas 3-D que abarcan desde la nanoescala hasta la macroescala. Los materiales hechos por el hombre aún no han logrado este control delicado de las características estructurales.
"La creación de micro características jerárquicas tridimensionales en los siete órdenes de magnitud en ancho de banda estructural en productos no tiene precedentes", dijo Zheng, el autor principal del estudio y el líder del equipo de investigación. "Ensamblar características de nanoescala en palanquillas de materiales a través dearquitecturas 3-D multinivel, comienza a ver una variedad de propiedades mecánicas programadas, como peso mínimo, resistencia máxima y super elasticidad en escalas de centímetros ".
El proceso que utilizan Zheng y sus colaboradores para crear el material es una innovación en una técnica de impresión digital ligera en 3-D que supera las compensaciones actuales entre alta resolución y volumen de construcción, una limitación importante en la escalabilidad de las microredes y nano redes impresas en 3D actuales.
Los materiales relacionados que se pueden producir a nanoescala, como las láminas de grafeno, pueden ser 100 veces más fuertes que el acero, pero tratar de aumentar el tamaño de estos materiales en tres dimensiones degrada su resistencia en ocho órdenes de magnitud; en otras palabras, se vuelven 100 millones de vecesmenos fuerte.
"La mayor elasticidad y flexibilidad obtenida a través del nuevo proceso y diseño se logra sin incorporar polímeros blandos, lo que hace que los materiales metálicos sean adecuados como sensores flexibles y electrónicos en entornos hostiles, donde se requiere resistencia química y térmica", agregó Zheng.
Esta red jerárquica multinivel también significa que hay más área de superficie disponible para recolectar energías de fotones, ya que pueden ingresar a la estructura desde todas las direcciones y ser recolectadas no solo en la superficie, como los paneles fotovoltaicos tradicionales, sino también dentro de la estructura de la red.Una de las grandes oportunidades que crea este estudio es la capacidad de producir materiales inorgánicos multifuncionales, como metales y cerámicas, para explorar las propiedades fotónicas y de recolección de energía en estos nuevos materiales.
Además de Zheng, los miembros del equipo incluyen a los estudiantes de investigación de posgrado de Virginia Tech, Huachen Cui y Da Chen del grupo de Zheng, y colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. La investigación se realizó bajo el apoyo de investigación dirigida por el Laboratorio Lawrence Livermore del Departamento de Energía con apoyo adicional deVirginia Tech, el fondo SCHEV del estado de Virginia y la agencia de Defensa de Proyectos de Investigación Avanzada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Original escrito por Rosaire Bushey. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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