Los metamateriales impresos con láser ahora son más resistentes y flexibles

Un avance del MIT flexibiliza los materiales rígidos con metamateriales

La ciencia de los materiales se centra en comprender mejor los materiales a nivel microscópico, a menudo atómico, para optimizarlos. El objetivo más común es lograr que un material sea más resistente que en su forma clásica, ya sea acero, vidrio o cerámica.

Los metamateriales van un paso más allá al modificar la estructura del material, otorgándole características diferentes a las de los materiales base que lo componen. Esto se consigue generalmente mediante la creación de patrones repetitivos con forma, geometría, tamaño, orientación, etc. precisos.

Fuente: MIT

Aquí también, la mayor parte de la investigación que se ha realizado se ha concentrado en hacer que el producto final sea más fuerte que su componente base, con potencial de súper acero, fibra de carbono, seda y otros materiales que podrían usarse en chalecos antibalas, construcción o proyectos futuristas como ascensores espaciales.

Se está inventando un nuevo tipo de metamaterial que permite que elementos rígidos y rígidos sean flexibles. Este descubrimiento fue realizado por investigadores del MIT y publicado en Nature Materials.¹, bajo el título "Metamateriales mecánicos inspirados en la doble red.

Cómo los metamateriales superan a los materiales tradicionales

La creación controlada de microestructuras regulares puede mejorar el rendimiento de un material en comparación con su componente base. Esto puede verse afectado por diversas propiedades, como las electromagnéticas, acústicas, de resistencia estructural y térmicas, entre otras.

En general, esto implica una compensación. Por ejemplo, los materiales más resistentes suelen volverse más rígidos, lo que puede reducir su utilidad práctica.

Se trata pues de una especie de revolución que están creando los investigadores del MIT al mezclar métodos, haciendo un material más rígido y más fuerte, pero también haciéndolo más flexible al mismo tiempo.

“Nos dimos cuenta de que el campo de los metamateriales realmente no ha intentado tener un impacto en el ámbito de la materia blanda.

Hasta ahora, todos hemos estado buscando los materiales más rígidos y resistentes posibles”.

carlos portela – Profesor asociado en el MIT.

Más fuerte y más flexible: Resolviendo el dilema metamaterial

Hasta ahora, la mayoría de los metamateriales se fabrican utilizando un método similar a la impresión 3D, produciendo puntales y armaduras microscópicas.

Fuente: ETH Zurich

En lugar de ello, los investigadores del MIT desarrollaron una arquitectura de resortes entrelazados, o bobinas, inherentemente más flexibles.

En su experimento inicial, utilizaron un material como el plexiglás, que debía ser muy rígido, y lo ensamblaron de forma "normal". Al tejerlo en un metamaterial, se volvió suave y elástico, como el caucho.

“Estamos abriendo este nuevo territorio para los metamateriales.

Se podría imprimir un metal o cerámica de doble red y se podrían obtener muchos de estos beneficios, ya que se necesitaría más energía para romperlos y serían significativamente más estirables”.

carlos portela – Profesor asociado en el MIT.

Fue un buen comienzo, ya que permitía usar materiales resistentes y hacerlos suaves y flexibles. Sin embargo, tuvo demasiado éxito, ya que, aunque el material era elástico, resultaba demasiado blando y flexible.

El diseño inspirado en hidrogel aumenta la flexibilidad y la durabilidad

Otro material excepcional es el hidrogel, un compuesto suave, elástico y gelatinoso, compuesto principalmente de agua y un poco de estructura polimérica. Algunos hidrogeles son incluso naturales, como la gelatina, por ejemplo.

Investigadores del MIT ya han descubierto maneras de aumentar la resistencia del hidrogel, conservando su suavidad y elasticidad. Lo consiguen combinando múltiples redes de polímeros con propiedades muy diferentes, como una red de moléculas naturalmente rígida y otra inherentemente blanda.

Así pues, los investigadores adaptaron este concepto a su metamaterial de plexiglás. Mezclaron un metamaterial clásico, rígido y resistente, utilizando una estructura reticular de puntales y cerchas, junto con un patrón de bobinas que se entrelazan alrededor de cada puntal y cercha.

Ambas redes de material se crearon al mismo tiempo, utilizando una técnica de impresión láser de alta precisión denominada litografía de dos fotones.

Fuente: LiqCreate

Cómo funcionan los metamateriales de doble red a cualquier escala

El metamaterial de doble red, recién inventado, se probó posteriormente en diferentes tamaños. Algunas muestras se fabricaron con el componente midiendo varias micras cuadradas, y otras hasta varios milímetros cuadrados.

Luego miden la resistencia y la flexibilidad resultantes utilizando cámaras de alta velocidad cuando llevan el material hasta su límite.

Fuente: MIT

Se demostró que la red doble era capaz de estirarse hasta tres veces su propia longitud, lo que supone que es diez veces más que un metamaterial con patrón reticular convencional.

Piensa en esta red tejida como un revoltijo de espaguetis enredados en un entramado. A medida que rompemos el entramado monolítico, esas partes rotas se unen al viaje, y ahora todos estos espaguetis se enredan con los trozos del entramado.

“Eso promueve un mayor enredo entre las fibras tejidas, lo que significa que hay más fricción y más disipación de energía”.

carlos portela – Profesor asociado en el MIT.

Es esta propagación de la energía lo que impulsa principalmente la flexibilidad del metamaterial, ya que es poco probable que una grieta inicial atraviese directamente el material y lo desgarre rápidamente.

Cómo los defectos estratégicos hacen que los metamateriales sean aún más resistentes

Contrariamente a la intuición, también descubrieron que era posible hacerlo incluso más resistente haciendo agujeros en la red.

Este defecto permite una disipación de energía aún mayor y aumenta la resiliencia general del producto final.

Podrías pensar que esto empeora el material. Pero vimos que, al añadir defectos, duplicamos el estiramiento y triplicamos la energía disipada.

“Eso nos da un material que es a la vez rígido y resistente, lo que normalmente es una contradicción”.

James Utama Surjadi – Estudiante postdoctoral en el MIT

Esto permitió al equipo de investigación desarrollar un marco teórico para predecir mejor el comportamiento de dichos metamateriales.

Usos reales de los metamateriales flexibles del MIT

Un modelo de este tipo será útil para diseñar tejidos y telas resistentes al desgarro.

Los semiconductores flexibles, los encapsulados de chips electrónicos y los andamios duraderos pero compatibles sobre los cuales cultivar células para la reparación de tejidos también podrían beneficiarse de esta tecnología.

Otra opción sería implementar este concepto de mezclar diferentes metamateriales (puntales y cerchas con bobinas) en materiales actualmente frágiles. Esto podría otorgarles mayor flexibilidad y resiliencia a la vez.

La misma idea podría utilizarse para añadir nuevas especificaciones a materiales existentes, por ejemplo, haciéndolos naturalmente reactivos a su entorno.

“Hasta ahora hemos hablado de propiedades mecánicas, pero ¿qué pasaría si también pudiéramos hacerlas conductoras o sensibles a la temperatura?

Para ello, las dos redes podrían estar hechas de polímeros diferentes que respondan a la temperatura de manera distinta, de modo que un tejido pueda abrir sus poros o volverse más flexible cuando hace calor y pueda ser más rígido cuando hace frío”.

carlos portela – Profesor asociado en el MIT.

Invirtiendo en el futuro de los metamateriales comerciales

DuPont

DuPont es una gran empresa química con Muchos productos químicos de marca importantes, como Kevlar, poliestireno, Nomex (protección contra incendios), Great Stuff (adhesivo para construcción), etc. Sus marcas de investigación avanzada en polímeros y materiales de protección podrían posicionarlo para beneficiarse de las tecnologías de metamateriales de doble red.

DuPont es una corporación antigua con una historia compleja de adquisiciones y, más recientemente, una serie de escisiones.

Fuente: DuPont

Estas escisiones han separado de DuPont los departamentos de nutrición y biociencia, vendidos parcialmente a Corteva Biosciences. (CTVA + 0.82%), productos de titanio que forman parte de la empresa Chemours (CC + 1.69%), y movilidad.

También se separará de su negocio de productos químicos electrónicos en noviembre de 2025., pero conservará el segmento de agua (membranas y filtros para purificación y desalinización de agua), contrariamente a los planes anteriores.

Fuente: DuPont

Esto dejará a DuPont como una empresa mucho más centrada, con una actividad principal en polímeros avanzados para equipos de purificación y protección de agua, así como materiales avanzados para la industria aeroespacial, la atención médica y los vehículos eléctricos.

Fuente: DuPont

DuPont es una corporación verdaderamente internacional, con una gran demanda de productos químicos especializados para la purificación de agua y la fabricación industrial.

Los sectores a los que presta servicios los productos químicos de DuPont también son muy variados, incluyendo la construcción, la purificación de agua, la industria electrónica, la automoción, la industria aeroespacial, la salud, la energía verde y la producción industrial.

Fuente: DuPont

La fuerte presencia de DuPont en equipos de protección y la posición establecida con la marca Kevlar, un polímero de alto rendimiento, deberían ayudarle a adaptar nuevas formas de metamateriales en productos comerciales.

En cualquier caso, a medida que crecen las nuevas tecnologías y el consumo de agua, también lo hace la demanda de los productos químicos avanzados producidos por DuPont.

Lo último sobre Dupont

Diversos estudios Referenciado:

^{1. Surjadi, JU, Aymon, BFG, Carton, M. et al. (2025) Metamateriales mecánicos inspirados en redes dobles. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5}