Los Metamateriales Impresos con Láser Son Ahora Más Fuertes y Más Flexibles

Avance del MIT Hace que los Materiales Rígidos Sean Flexibles con Metamateriales

La ciencia de los materiales es el ámbito de comprender mejor los materiales a nivel microscópico, a menudo atómico, con el fin de mejorarlos. El objetivo más común es hacer que un material sea más fuerte que en su forma clásica, ya sea acero, vidrio o cerámica.

Los metamateriales llevan esto un paso más allá, al cambiar la estructura del material, otorgándole características diferentes a las propiedades de los materiales base de los que está compuesto. Esto se logra generalmente creando patrones repetitivos de forma, geometría, tamaño, orientación, etc., precisos.

Fuente: MIT

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

Ahora se está inventando un nuevo tipo de metamaterial, que hace que elementos rígidos y duros sean flexibles. Este descubrimiento fue realizado por investigadores del MIT y publicado en Nature Materials¹, bajo el título “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.

Cómo los Metamateriales Superan a los Materiales Tradicionales

La creación de microestructuras regulares de manera controlada puede conducir a un mejor rendimiento de un material en comparación con su componente base. Esto puede verse afectado por muchas propiedades diferentes, como electromagnéticas, acústicas, resistencia estructural, térmicas, etc.

En general, esto implica una compensación. Por ejemplo, los materiales más fuertes suelen volverse más rígidos, lo que puede reducir su uso práctico.

Así que es una especie de revolución que los investigadores del MIT están creando, al combinar métodos, haciendo un material más rígido y fuerte, pero también más flexible al mismo tiempo.

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

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

Carlos Portela – Associate Professor at MIT.

Más Fuerte y Más Flexible: Resolviendo la Compensación de los Metamateriales

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

Fuente: ETH Zurich

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

En su experimento inicial, usaron un material como plexiglás, que debería ser muy rígido, y lo ensamblaron “normalmente”. Cuando se tejió en un metamaterial, se volvió blando y elástico, como la goma.

“Estamos abriendo este nuevo territorio para los metamateriales.

Podrías imprimir un metal o cerámica de doble red, y podrías obtener muchos de estos beneficios, ya que requeriría más energía romperlos y serían significativamente más estirables.

Carlos Portela – Associate Professor at MIT.

Esto fue un buen comienzo, ya que podía usar materiales fuertes y volverlos blandos y flexibles. Sin embargo, fue un poco demasiado exitoso, pues aunque el material era elástico, era “un poco demasiado blando y flexible”.

Diseño Inspirado en Hidrogeles Aumenta la Flexibilidad y la Durabilidad

Otro material excepcional es el hidrogel, un tipo de compuesto blando, elástico, similar a la gelatina, que está compuesto mayormente de agua y una pequeña cantidad de estructura polimérica. Algunos hidrogeles son incluso naturales, como la gelatina, por ejemplo.

Los investigadores del MIT ya han encontrado formas de hacer el hidrogel más resistente, mientras conservan sus capacidades blandas y elásticas. Lo logran combinando múltiples redes poliméricas con propiedades muy diferentes, como una red de moléculas que es naturalmente rígida y otra que es inherentemente blanda.

Así que los investigadores adaptaron este concepto a su metamaterial de plexiglás. Mezclaron un metamaterial clásico rígido y fuerte usando una estructura tipo rejilla de puntas y armaduras, junto con un patrón de bobinas que se entrelazan alrededor de cada punta y armadura.

Ambas redes de material se fabricaron simultáneamente, utilizando una técnica de impresión láser de alta precisión llamada litografía de dos fotones.

Fuente: LiqCreate

Cómo los Metamateriales de Doble Red Funcionan a Cualquier Escala

El recién inventado metamaterial de doble red se probó luego en diferentes tamaños. Algunas muestras se fabricaron con componentes que medían varios micrómetros cuadrados, otras hasta varios milímetros cuadrados.

Luego midieron la resistencia y flexibilidad resultantes usando cámaras de alta velocidad al empujar el material hasta su límite.

Fuente: MIT

La doble red demostró ser capaz de estirarse 3 veces su propia longitud, lo que es 10 veces más que un metamaterial convencional con patrón de celosía.

“Piensa en esta red tejida como un enredo de espaguetis enredados alrededor de una celosía. Cuando rompemos la red monolítica de la celosía, esas partes rotas se unen al proceso, y ahora todo este espagueti se enreda con los fragmentos de la celosía.

Eso fomenta más entrelazamiento entre las fibras tejidas, lo que significa que tienes más fricción y mayor disipación de energía.

Carlos Portela – Associate Professor at MIT.

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

Cómo los Defectos Estratégicos Hacen que los Metamateriales Sean Aún Más Resistentes

Contrariamente a la intuición, también descubrieron que era posible hacerlo aún más fuerte perforando agujeros en la celosía.

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

“Podrías pensar que esto empeora el material. Pero vimos que una vez que empezamos a añadir defectos, duplicamos la cantidad de estiramiento que podíamos lograr y triplicamos la cantidad de energía que disipábamos.

Eso nos brinda un material que es a la vez rígido y resistente, lo cual suele ser una contradicción.

James Utama Surjadi – Postdoctoral student at MIT

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

Aplicaciones Reales de los Metamateriales Flexibles del MIT

Este plano será útil para diseñar textiles y telas a prueba de desgarros.

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

Otra opción sería aplicar este concepto de mezclar diferentes metamateriales (puntas y armaduras junto con bobinas) a los materiales que actualmente son frágiles. Podría otorgarles simultáneamente mayor flexibilidad y mayor resiliencia.

La misma idea podría usarse 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 hacerlos conductores o sensibles a la temperatura?

Para ello, las dos redes podrían estar hechas de diferentes polímeros que responden a la temperatura de distintas maneras, de modo que una tela pueda abrir sus poros o volverse más flexible cuando hace calor y más rígida cuando hace frío.

Carlos Portela – Associate Professor at MIT.

Invertir en el Futuro de los Metamateriales Comerciales

DuPont

DuPont es una enorme empresa química con muchos productos químicos de marca importantes, como Kevlar, Styrofoam, Nomex (protección contra incendios), Great Stuff (adhesivo de construcción), etc. Su investigación avanzada de polímeros y sus marcas de materiales protectores podrían posicionarla para beneficiarse de las tecnologías de metamateriales de doble red.

DuPont es una corporación centenaria 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, parcialmente vendidos a Corteva Biosciences (CTVA ), productos de titanio formando la empresa Chemours (CC ), y movilidad.

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

Fuente: DuPont

Esto dejará a DuPont como una empresa mucho más enfocada, con una actividad central en polímeros avanzados para purificación de agua y equipos de protección, así como materiales avanzados para aeroespacial, salud y vehículos eléctricos.

Fuente: DuPont

DuPont es una corporación verdaderamente internacional, con alta demanda de químicos especializados en purificación de agua y fabricación industrial.

Los sectores atendidos por los químicos de DuPont también son muy variados, incluyendo construcción, purificación de agua, la industria electrónica, automotriz, aeroespacial, salud, energía verde y producción industrial.

Fuente: DuPont

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

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

Últimas noticias sobre Dupont

Estudios Referenciados:

^{1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5}