Ciencia de materiales
Los materiales auxéticos tienen casos de uso generalizados. Los algoritmos avanzados ahora los hacen más fáciles de crear
Los materiales auxéticos se contraen y expanden en la dirección transversal cuando se les somete a compresión axial y tensión, respectivamente. Responden de una manera que resulta contraintuitiva para los materiales elásticos comunes y, por lo tanto, presentan una razón de Poisson negativa. Esta razón mide la deformación en una dirección perpendicular a la fuerza aplicada. A diferencia de los materiales elásticos habituales, los materiales auxéticos, al comprimirse, se vuelven más delgados en la dirección perpendicular a la fuerza aplicada.
Estos materiales se han vuelto populares en las últimas dos décadas por sus propiedades útiles, como buena tenacidad a la fractura, alta resistencia a la indentación/impacto, módulo de corte, buena absorción de energía, deformación sinclástica y alta deformación transversal. También poseen altas propiedades de resistencia a abolladuras y una isotropía superficial superior.
Todas estas propiedades han enriquecido a los materiales auxéticos, garantizando que tengan una amplia aplicabilidad. En los siguientes segmentos, examinaremos algunos de esos casos de uso en los campos de la ciencia médica y la salud, la ingeniería de vehículos, la ingeniería de protección, la confección, etc.
Materiales auxéticos en la atención médica y ciencias de la salud
Polietileno auxético de alta densidad se utiliza para desarrollar discos intervertebrales artificiales para cirugía espinal. Estos discos pueden doblarse y torcerse y potencialmente proporcionar un rendimiento biomecánico mejorado en comparación con las soluciones tradicionales de reemplazo de discos. Sus propiedades auxéticas evitan protuberancias que podrían dañar los nervios circundantes, permitiendo que el disco imite perfectamente el comportamiento de un disco intervertebral lumbar natural.
También se propuso un tornillo pedicular auxético para mejorar la interacción biomecánica entre el hueso circundante y el tornillo, principalmente para la columna vertebral.
La investigación también ayudó a los científicos a desarrollar un stent coronario de geometría auxética basado en acero inoxidable de grado médico 316L. Este stent puede expandirse tanto en dirección radial como longitudinal y optimizarse para un diámetro y longitud de vaso específicos para crear un cierto volumen de lumen, minimizando el impacto negativo del stent en la pared del vaso.
Los materiales auxéticos también han demostrado ser útiles en otras aplicaciones médicas, como tallos de implantes de cadera, fijación para huesos largos, parches cardíacos, hisopos nasofaríngeos, plantillas ortopédicas y más. También son valiosos en la ingeniería de tejidos y la fabricación de estructuras y membranas para dispositivos médicos in vitro.
Materiales auxéticos en la ingeniería de vehículos
Investigaciones recientes han demostrado que los materiales y estructuras auxéticos pueden ofrecer un método de diseño superior que mejora las características de absorción de energía de los parachoques de tubo de pared delgada tradicionales y de las cajas absorbentes de energía.
Estas estructuras tendrían mayor rigidez, ventaja de absorción de energía bajo colisiones a velocidad media y un tiempo de amortiguación más largo para la absorción de energía del choque y el proceso de aceleración‑desaceleración de los ocupantes. También obtienen altas puntuaciones en cuanto a capacidad de absorción de energía, eficiencia de absorción de energía y otros índices de rendimiento.
Uno de los investigadores en este campo sugirió específicamente un parachoques que comprendía una estructura de viga sándwich auxética y una combinación de bloque absorbente de energía optimizada mediante un algoritmo multi‑objetivo, lo que mejoró la resistencia al choque frontal del vehículo.
Materiales auxéticos en la ingeniería de protección
El uso de estructuras auxéticas en la ingeniería de protección surgió de su alta absorción de energía, resistencia a la compresión por indentación mejorada y propiedades de resistencia al corte mejoradas.
La investigación ayudó a encontrar estructuras de paneles sándwich de panal auxético que podrían proteger la estructura de hormigón reforzado de impactos severos y cargas de explosión cercanas.
Además, los paneles sándwich cilíndricos con efecto auxético tenían propiedades de resistencia a explosiones más fuertes, y podrían usarse para diseñar de manera eficiente carcasas de aviones robustas, naves espaciales, cascos de submarinos, tanques de combustible, refugios de minas de carbón y otras estructuras curvas.
Materiales auxéticos en la ingeniería de confección
La propiedad de expansión transversal de los materiales auxéticos bajo carga ayuda a formar doble curvaturas durante el doblado. Esta propiedad permite que la ropa fabricada con estos materiales se adapte a los contornos cambiantes del cuerpo humano durante el movimiento. La investigación muestra que la ropa de maternidad de tejido auxético presenta una menor concentración de tensiones en comparación con sus contrapartes tradicionales. Además, es cómoda de llevar.
Este amplio rango de posibilidades de aplicación ha generado una creciente demanda de materiales auxéticos. Para satisfacer esta demanda creciente, los investigadores han desarrollado una receta de tres pasos para diseñar materiales auxéticos bajo demanda.
Un procedimiento de tres pasos para crear materiales auxéticos bajo demanda
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Chicago han realizado esfuerzos concertados para acelerar la introducción al mercado de productos auxéticos.
Más precisamente, estos investigadores han desarrollado una herramienta algorítmica que ayuda con el diseño tridimensional preciso de auxéticos. Según el coautor del estudio, Edwin Chan, ingeniero de investigación de materiales de NIST:
En realidad podemos optimizar el material para que tenga cualquier propiedad mecánica y comportamiento que deseemos.
Los investigadores han presentado al mundo con un marco unificado para describir auxéticos perfectos bidimensionales. Esta presentación es el resultado de una mayor comprensión de que entender y controlar el límite auxético perfecto podría permitirnos diseñar racionalmente auxéticos realistas con una estructura geométrica a medida para la cual la razón de Poisson sigue siendo negativa.
Al detallar la mayor importancia de su estudio, los investigadores dijeron lo siguiente:
Nuestra teoría no solo unifica una gran clase de auxéticos existentes, abarcando sistemas de unidades rígidas auxéticas previos, sino que también permite crear una gran variedad de ellos, con geometrías nuevas y diversas, incluido el algo escurridizo material auxético isotrópico.
Dado que los investigadores estaban interesados en comprender el comportamiento de los auxéticos perfectos, utilizaron el modelo bidimensional mínimo para unidades giratorias. Las unidades consistían en una serie de polígonos conectados por resortes de longitud natural cero. Cada unidad rígida tenía tres grados de libertad: dos de traslación y uno de rotación. Este modelo ayudó a determinar la aparición del modo flácido auxético e introdujo elasticidad en los materiales de modo que también se pudieran estudiar escenarios no ideales.
El resultado de la investigación científica tomó la forma de una receta que ayudaría a construir auxéticos perfectos. Requeriría tres ingredientes:
- Una red bipartita permitiría que las unidades contra-rotaran entre sí.
- Inicialmente y en reposo, cada par de vectores de posición de polígonos vecinos y el vértice entre ellos deben ser colineales.
- La razón entre la distancia de un polígono a uno de sus vértices y la distancia de su vecino al mismo vértice debe ser constante en la red.
Los investigadores destacan que la singularidad de su teoría radica en el hecho de que no está restringida a redes y puede aplicarse directamente a redes desordenadas. Esto permite la construcción de los primeros materiales auxéticos perfectos isotrópicos. Los investigadores también señalan que su teoría podría ampliarse a materiales poliédricos 3D.
Aunque esta investigación es un avance, el trabajo sobre materiales auxéticos ha continuado durante bastante tiempo. En los siguientes segmentos, observaremos empresas que han estado realizando trabajos pioneros en ellos.
#1. Nike
Una de las marcas líderes que ha realizado trabajos sofisticados en este campo de estructuras auxéticas es Nike. Patente de Nike n.º US9402439B2 trata sobre estructuras auxéticas que facilitan la construcción de suelas con estructuras auxéticas.
Normalmente, el calzado comprende al menos dos componentes principales:
- Una parte superior que proporciona el recinto para recibir el pie del usuario
- Una suela fijada a la parte superior que funciona como el contacto principal con el suelo o la superficie de juego
La suela puede incluir tres subsegmentos: una plantilla interior, una entresuela y una suela exterior. En el calzado de Nike patentado, al menos una capa de la suela está hecha de una estructura auxética. Esta se denomina capa auxética.
Correr, girar, saltar o acelerar con estos zapatos somete la capa auxética a una mayor tensión longitudinal o lateral, aumentando su longitud y anchura. Así, proporciona una tracción mejorada y absorbe parte de los impactos de la superficie de juego.
Nike cree que estos zapatos pueden resultar beneficiosos para una variedad de deportes y actividades recreativas, incluidos tenis y otros deportes de raqueta, caminar, trotar, correr, senderismo, balonmano, entrenamiento, correr o caminar en una cinta de correr, y deportes de equipo como baloncesto, voleibol, lacrosse, hockey sobre césped y fútbol.
(NKE )
Para el año fiscal completo 2023, Nike informó ingresos de US$51.2 mil millones, un aumento del 10 por ciento respecto al año anterior y un 16 por ciento en base neutral de divisas.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space recibió una patente sobre una estructura auxética deformable y un proceso de fabricación. La invención tiene como objetivo proporcionar una protección ligera contra impactos de alta energía en estructuras y sistemas de aeronaves mediante un único panel sándwich integrado que aprovecha el comportamiento auxético bidimensional en las dos direcciones que forman la superficie del panel.
Airbus sugiere que dicha protección sería altamente beneficiosa en configuraciones de aeronaves con motor trasero altamente integradas, incluidas arquitecturas de rotor abierto o ingestión de capa límite. En estas configuraciones, se requieren disposiciones de protección (blindajes) debido a preocupaciones de seguridad contra impactos de alta energía en el fuselaje provenientes de la liberación de palas de hélice (PBR) y escombros de motor (fallo de rotación del motor no contenido, fragmentos pequeños y tercer disco).
La estructura presenta una disposición auxética que consiste en una pluralidad de celdas auxéticas tridimensionales interconectadas adyacentes. Este diseño garantiza que, independientemente de si el elemento superficial tiene una superficie plana, curva o una composición de diferentes superficies planas, la estructura resultante logrará un comportamiento auxético en cada uno de estos planos. Además, exhibirá comportamiento auxético en más de una dimensión perpendicular a la dirección principal del impacto.
En 2023, Airbus registró unos ingresos de más de 65 mil millones de euros, un aumento significativo respecto a los 58,8 mil millones de euros obtenidos en 2022.
Creación de materiales auxéticos: cómo se ve el futuro
La investigación que abrió nuestra discusión podría lograr muchos avances. Podría proporcionar un modelo fácil de seguir para crear, diseñar y caracterizar auxéticos de unidades giratorias. Los modelos que validan la teoría fueron potentes para simulaciones sencillas de pruebas de propiedades del material mientras se ignoraban las fuerzas de flexión. Sin embargo, los modelos eran propicios para acomodar la flexión si fuera necesario. El trabajo condujo al establecimiento de las reglas básicas para crear auxéticos perfectos isotrópicos nunca antes vistos. Lo único que requería era más investigación sobre análisis dinámico y vibratorio.
Aunque la investigación y la exploración son procesos interminables en la ciencia y la tecnología, debe haber más investigación sobre la viabilidad de los materiales auxéticos como refuerzo, especialmente para aplicaciones de carga. Se requieren deformaciones excesivas para iniciar las ventajas derivadas de la auxeticidad. Estas deformaciones podrían superar los límites de servicio especificados para los elementos estructurales bajo carga estática. En este sentido, los investigadores han señalado la necesidad de diseños a medida que satisfagan tanto los requisitos de resistencia como de rigidez.
En el campo de la aplicación biomédica, surge la necesidad de auxéticos 3D, que solo pueden lograrse mediante procedimientos de fabricación aditiva. Estos procedimientos deberían mejorarse para garantizar el rendimiento a largo plazo de los dispositivos médicos. El proceso avanzado basado en algoritmos para crear auxéticos podría ser útil en estos casos, ya que la mayoría de las tecnologías aditivas generan resultados intrínsecamente anisotrópicos debido al proceso capa por capa, lo que puede afectar el rendimiento mecánico de las soluciones.
Aunque estos desafíos persisten, los investigadores son optimistas de que algunas de las tendencias futuras, si se escalan con éxito, podrían conducir a una adopción más entusiasta de los auxéticos. Estas tendencias incluyen crear sinergias entre la impresión 4D y geometrías auxéticas, la fabricación de materiales y mecanismos de memoria de forma, etc.
Los auxéticos también pueden encontrar un uso creciente en materiales biohíbridos, donde un andamio auxético colonizado por células puede conducir a actuadores más autónomos. Según los investigadores, estos materiales son capaces de superar a los materiales y estructuras “inteligentes”, activos o multifuncionales disponibles actualmente.
Uno de los principales ejemplos del uso de biohíbridos es en forma de microbots que cuentan con chasis auxéticos y mecanismos operados por células vivas. Estas soluciones, especialmente los cardiomiocitos o células musculoesqueléticas activados por estímulos eléctricos, pueden usarse como actuadores quirúrgicos en el futuro.
En conjunto, los auxéticos nos presentan un campo de minas de oportunidades. Todo lo que necesitan es más investigación y recursos para escalar y proporcionar soluciones viables que duren mucho tiempo.
