Ciencia de materiales
De la aeroespacial a aplicaciones domésticas, los avanzados medidores auxéticos preparados para un uso generalizado
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Los materiales auxéticos difieren de los materiales clásicos en que presentan coeficientes de Poisson negativos. En otras palabras, bajo la fuerza de tracción aplicada en la dirección longitudinal, los auxéticos se expanden en la dirección transversal perpendicular.
Los científicos continúan buscando propiedades auxéticas en los materiales. Recientemente, Noah Stocek, un estudiante de doctorado que colabora con el físico de Western Giovanni Fanchini, ha desarrollado un nanomaterial de este tipo.
Nanosheets Auxéticos Bidimensionales
Ambos científicos trabajaron en Interface Science Western para desarrollar nanosheets 2‑D de carburo semi‑tungsteno, también conocido como W2C. Estos son compuestos químicos que contienen partes iguales de átomos de tungsteno y carbono. Siguiendo las propiedades de los materiales auxéticos, estos nanomateriales se expanden perpendicularmente a la fuerza aplicada cuando se estiran en una dirección.
El desarrollo es significativo porque es solo el segundo material que se expande sustancialmente de forma opuesta a los materiales clásicos. Antes de esto, solo se había reportado un material que podía expandirse un 10 % por unidad de longitud de manera contraintuitiva. El nanomaterial actual, el nanosheet de carburo semi‑tungsteno, puede expandirse un 40 %. Es un nuevo récord mundial. Al explicar el logro de este desarrollo, Stoeck dijo:
“En 2018, los teóricos predijeron que podría exhibir este comportamiento a un nivel excelente, pero nadie había podido desarrollarlo, a pesar de los extensos intentos de grupos de investigación de todo el mundo.”
Para explicar con más detalle lo que Stoeck y Fanchini desarrollaron, informaron científica y experimentalmente sobre un sistema de deposición de plasma remoto de doble zona diseñado ad hoc que podía crecer carburos de tungsteno fuera del equilibrio termodinámico con proporciones bien ajustadas de precursores de W y C. La investigación destacó las condiciones específicas bajo las cuales este sistema permitió la síntesis de láminas de semicarburo de tungsteno de pocas capas (FL‑W2C). Estas láminas eran bidimensionales, ya que podían mantener su periodicidad a nivel mesoscópico en un proceso de crecimiento Stranski‑Krastanov.
Un Cambio Innovador de los Métodos Químicos a la Física de Plasma
El dúo de desarrolladores identificó en una etapa muy temprana de su proceso que era imposible construir un nuevo nanomaterial de carburo semi‑tungsteno mediante métodos químicos. Como resultado, cambiaron a la física de plasma, con el objetivo de formar capas de átomos individuales.
Para llevar a cabo el desarrollo del nanomaterial aprovechando los métodos de plasma, el dúo se alejó de la ruta convencional de utilizar hornos especiales donde los gases pudieran calentarse a alta temperatura para reaccionar químicamente y formar la sustancia. Diseñaron un nuevo sistema de instrumentos personalizado para producir plasma, que contiene partículas cargadas eléctricamente.
Aplicaciones del Nanomaterial Recientemente Desarrollado
Una de las aplicaciones potenciales más útiles de estos nanosheets podría ser un tipo radicalmente nuevo de galga extensométrica. Estas galgas podrían medir la expansión de manera muy eficaz y estirarse en todo, desde las alas de aviones hasta la fontanería doméstica.
Dado que estos materiales son más conductores eléctricamente, pueden usarse en sensores o dispositivos para detectar cambios y variaciones en el entorno. No solo podrían detectar estos cambios, sino que, gracias a sus capacidades de ‘sensor’, también podrían enviar información a otros dispositivos electrónicos.
Imagine que desea saber si una tubería en su casa se está deformando y corre el riesgo de romperse en algún momento. Puede colocar un sensor en la tubería fabricado con este nanomaterial bidimensional y luego usar una computadora para monitorizar la corriente que lo atraviesa. Si la corriente aumenta, significa que la tubería se está expandiendo y corre el riesgo de romperse.
En el futuro, un mayor desarrollo de las propiedades auxéticas de un material sin duda conducirá a nuevas soluciones. Por ahora, empresas como Michigan Scientific Corporation y Omega están profundamente involucradas en la fabricación y desarrollo de galgas extensométricas. Estas compañías podrían comenzar a aprovechar este desarrollo y el nanomaterial producido como resultado para ampliar su cartera de productos/soluciones.
#1. Omega
Omega, una marca de DwyerOmega, puede aprovechar el nanomaterial para ampliar aún más su robusta y diversa línea de galgas extensométricas. Sus galgas extensométricas de diafragma pueden medir deformación y tensión en una variedad de aplicaciones, incluyendo presión, fuerza, desplazamiento y deformación en metales, plásticos y compuestos. La línea de galgas extensométricas de doble paralela ayuda a medir de manera fiable el estrés por flexión en diversas aplicaciones.
Omega también dispone de galgas de torsión y corte, galgas lineales, galgas en forma de T‑roseta y galgas roseta. Con tolerancias estrechas para una alineación más fácil, las galgas de Omega ofrecen un rendimiento fiable y estabilidad a largo plazo. Sus galgas de puente completo y medio puente demuestran una excelente linealidad y compatibilidad con un amplio rango de temperaturas.
Sus galgas T‑Rosette pueden medir los efectos de la temperatura, carga y vibración en los componentes. Son particularmente útiles para medir tensiones biaxiales con direcciones principales conocidas.
La empresa está perfectamente posicionada para desarrollar una nueva línea de productos basada en galgas auxéticas o ampliar su línea existente con propiedades auxéticas.
DwyerOmega surgió como una marca después de que Dwyer Instruments, Inc. acordara adquirir OMEGA Engineering, Inc. de Spectris plc (LSE:SXS) por aproximadamente 530 millones de dólares el 19 de abril de 2022. Dwyer pagó 525 millones de dólares a una valoración de aproximadamente 20,4 veces el EBITDA ajustado de Omega de 2021. Para el año financiero 2021, Omega generó ventas de £129 millones (168 millones de dólares) y un EBITDA ajustado de £19,7 millones (25,7 millones de dólares).
#2. Michigan Scientific Corporation
Michigan Scientific Corporation, una empresa privada con sede en Charlevoix, Michigan, Estados Unidos, es conocida por ofrecer una gama de servicios de ingeniería, productos y soluciones. Un área donde esta compañía podría aprovechar brillantemente este desarrollo es en sus servicios de galgas extensométricas.
La empresa es especialista en diseñar y crear transductores de galgas extensométricas a medida, que podrían usarse en una variedad de casos, incluyendo la medición de fuerzas de suspensión de vehículos, pares de tren motriz, fuerzas de componentes de dirección, cargas de motor y frenos, y pares de frenado en vehículos en el campo.
Las soluciones de Michigan incluyen transductores de torque de eje, transductores de cigüeñal, transductores de pasador de corte y productos para la medición de deformación en semiejes, ejes de transmisión, fuerza axial y más.
Las aplicaciones de instrumentación de estas soluciones incluyen instrumentación de placas de circuito para monitorizar el estrés, paneles de puertas de cámaras térmicas monitorizados para deformación durante la fabricación, y ejes de transmisión de tamaño industrial totalmente instrumentados. Estas soluciones también recopilan y analizan datos obtenidos de los proyectos en los que se despliegan.
Ya hemos visto que las capacidades de ‘sensor’ de las galgas extensométricas recién desarrolladas aumentan su valor. Esto también sería una adición de valor para Morgan Scientific Corporation, que se dedica a instalar galgas extensométricas in situ en las ubicaciones de los clientes para instrumentar los componentes del cliente y registrar datos que respalden una variedad de actividades de prueba y desarrollo.
Otros Avances Recientes Significativos en Auxéticos
Auxéticos en la Construcción Civil
Según informes publicados en el International Journal of Protective Structures, los materiales auxéticos están encontrando un uso creciente en campos relacionados con la ingeniería civil. Podrían combinarse con materiales cementicios en diversas formas, incluyendo compuestos de mortero‑espuma, compuestos de mortero‑tela y compuestos de cemento reforzado con fibra.
Las capas de espuma auxética, por ejemplo, resultan útiles para reforzar paredes de mampostería frágiles bajo compresión. Incrementan significativamente el efecto de endurecimiento por deformación post‑fluencia en el compuesto cementicio.
Los tejidos auxéticos ofrecen mayor rigidez al corte y una notable tenacidad a la fractura. Como resultado, estos compuestos son útiles para superar los desafíos que plantea la baja resistencia a la compresión del Mortero de Espuma Auxética (AFM), que tiene una estructura porosa y baja densidad.
El compuesto de cemento reforzado con fibra auxética resuelve muchos de los inconvenientes de los materiales cementicios convencionales, incluyendo la pobre ductilidad, la insuficiente resistencia a la tracción y la baja tenacidad a la fractura.
Auxéticos en Fibra
Las fibras auxéticas pueden usarse en una variedad de áreas, incluyendo materiales compuestos, ropa de protección personal, tapicería, cuerdas, cordones, redes de pesca y mucho más. Las propiedades que las fibras auxéticas confieren a estas áreas de aplicación incluyen resistencia al desprendimiento de la fibra, tenacidad a la fractura de la fibra, absorción de energía, densificación y resistencia a la indentación, resistencia al impacto y más.
Auxéticos en el Área Biomédica
Los auxéticos pueden contribuir significativamente a los subsegmentos biomédicos de prótesis, implantes quirúrgicos, anclajes de sutura/músculo/ligamento, e incluso dilatadores que ayudan a abrir los vasos sanguíneos durante cirugías cardíacas.
Auxéticos en la Mejora de la Calidad de los Piezoeléctricos
Los electrodos pueden construirse con metales auxéticos. Estos electrodos podrían funcionar al intercalar un polímero piezoeléctrico o al incrustar varillas cerámicas piezoeléctricas en una matriz polimérica auxética. Tienen una capacidad de mejora significativa para el rendimiento piezoeléctrico y pueden aumentar la sensibilidad del dispositivo al menos en un factor de dos y hasta un múltiplo de cien.
Uso de Auxéticos en Filtros
La limpieza de filtros obstruidos es factible utilizando espuma auxética y filtros de panal. Específicamente, las inclusiones auxéticas ayudan a ajustar los poros del filtro a un tamaño y forma efectivos. También compensan los efectos de la acumulación de presión en un filtro obstruido. Un filtro auxético puede abrir los poros en ambas direcciones — a lo largo y transversalmente a la dirección de la carga de tracción.
Diseño de Materiales Auxéticos bajo Demanda
Como demuestran los segmentos anteriores, el uso de auxéticos avanzados se está expandiendo rápidamente y se extiende diariamente a nuevas áreas de aplicación. Para atender esta demanda, los investigadores ya han llevado a cabo valiosos estudios sobre el diseño de materiales auxéticos bajo demanda.
En 2022, una Una receta de tres pasos para diseñar materiales auxéticos bajo demanda se publicó, donde los investigadores establecieron un marco unificado para describir auxéticos perfectos bidimensionales con potencial uso en el diseño de nuevos materiales.
La investigación se basó en gran medida en la conexión natural entre unidades rígidas giratorias y sistemas de espín antiferromagnéticos. Los investigadores también elaboraron sobre las condiciones que facilitan la aparición de un modo flexible no trivial que causa el comportamiento auxético.
La investigación señaló tres diseños para nuevos auxéticos: un cristal exótico, un cuasicristal de Penrose y un ansiado auxético isotrópico. Los autores afirmaron que la auxeticidad de estos diseños podría mantenerse robusta bajo pequeñas perturbaciones estructurales, validado por experimentos y simulaciones numéricas.
La teoría de la investigación representó cada diseño mediante un modelo mínimo. Estos modelos se basaron en polígonos y resortes que podían capturar la respuesta colectiva esencial de los modelos ante cargas externas.
Los investigadores esperaban que estos modelos pudieran simularse directamente para probar las propiedades de los materiales mientras se ignoraban las fuerzas de flexión. Otro logro significativo de los resultados de la investigación fue su capacidad para generalizar el comportamiento de las paredes de dominio auxético y las texturas naturales que estos sistemas poseen debido a su analogía con los sistemas magnéticos.
Finalmente, los involucrados en la investigación afirmaron que era pionera al poder establecer las reglas básicas para crear auxéticos perfectos isotrópicos nunca antes vistos. También esperaban que la investigación pudiera aplicarse en la producción de materiales poliedrales 3D.
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El Camino por Delante para los Auxéticos Avanzados
Ahora está demostrado sin duda que las estructuras auxéticas han pasado de la fase de un diseño único a soluciones personalizadas que pueden servir a una variedad de funciones. Su evolución ha visto patrones elementales 2D variantes, estructuras híbridas y mejoras dimensionales innovadoras orientadas al rendimiento. La evolución también ha presenciado una expansión en la lista de materiales que pueden incorporar características auxéticas. La lista de materiales compatibles ahora incluye polímeros, cerámicas, metales, biomateriales, cemento, textiles y compuestos cementicios.
Los modelos estructurales diversificados y los modelos de fabricación generalizados —ambos han experimentado mejoras, lo que resulta en el comportamiento auxético de materiales con alta rigidez. Los investigadores y tecnólogos también están investigando las propiedades de redistribución de tensiones de los materiales auxéticos.
Sin embargo, para que los auxéticos se vuelvan más avanzados, deben superarse algunos desafíos. Por ejemplo, el rendimiento bajo impactos de alta velocidad y los mecanismos de deformación y falla requieren un mayor escrutinio. Se necesita más trabajo en la implementación de la resistencia al impacto. Una atención adecuada a estos aspectos podría convertir a los auxéticos en una característica científica y tecnológica de inmenso valor en la vida cotidiana.
