Cristales ultra resistentes inspirados en la naturaleza

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Una fina estructura de nácar y esmalte sirve como modelo a los investigadores de Montreal (Canadá) para la creación de gafas ultra resistentes.

En la naturaleza encontramos repetidas veces el caso de que sustancias con propiedades totalmente contradictorias se encuentran combinadas para realizar una misma función. Como ejemplo de este suceso encontramos las conchas de los moluscos, que poseen una alta resistencia a pesar de que la mayor parte de sus materiales son minerales frágiles. El esmalte, el cual también tiene un alto contenido en materiales minerales frágiles es débil, pero al mismo tiempo presenta propiedades enormemente plásticas. En comparación encontramos las cerámicas y los vidrios, los cuales son muy duros pero altamente quebradizos.

El secreto de todos los materiales naturales reside en su microestructura: están formados por muchas capas, cruzadas y ramificadas entre sí, que otorgan gran estabilidad. Cuando una influencia externa golpea la estructura del material, se forman grietas pero no rompen el material. Si la fuerza y la intensidad de la influencia aumentan, aumenta la tenacidad y la resistencia del material de modo exponencial. Por ahora, los investigadores de Canadá han conseguido aplicar este diseño sobre el vidrio, aplicando esta resistencia a dicho material. Según los experimentos aplicados a este nuevo material de nuevas características, la dureza del vidrio de borosilicato es capaz de aumentar en un factor de 200, gracias a huecos realizados hábilmente mediante pulsos de láser.

“Parece irónico y contradictorio que para conseguir aumentar la dureza de un material debamos incorporar vulnerabilidades, pero en los materiales naturales esto parece ser una estrategia universal y de gran alcance” afirma François Barthelat, de la Universidad McGill de Montreal. Como ejemplo la universidad muestra grabaciones donde se muestra mediante un microscopio electrónico el esmalte de los dientes, que aparentemente es liso pero presenta tiras de fibras ramificadas entre sí, similar a la resistencia del cristal. Este método reduce un poco la dureza, pero reduce la fragilidad de manera significativa por lo que los dientes son mucho más difíciles de romper.

Los científicos aplicaron este principio para la construcción de un material artificial. Para lograr este material, se dispararon fuertes láser ultravioletas sobre un recipiente de borosilicato (utilizado comúnmente en los laboratorios como recipiente). El haz del láser puede atravesar fácilmente la pared del cristal, por lo que puede crear pequeñas grietas en este. De este modo, los investigadores fueron capaces de incorporarlo a diferentes estructuras, creando microrroturas en la estructura interna del material. Al final, las estructuras onduladas (similares a la estructura de los dientes) resultaron ser extremadamente robustas, presentando casi la misma estructura que las perlas. Esta microestructura presenta una forma muy adecuada para disipar las fuerzas producidas por la presión, ya que las grietas absorben la fuerza ejercida.

Por lo tanto, los picos de presión podrán evitarse, lo que evitará la ruptura repentina de la estructura. Con este experimento, la dureza del vidrio aumenta en más de cien veces, y la ductilidad unas veinte más.

Con el fin de poder aumentar la absorción de presión externa, los investigadores también probaron a rellenar las grietas de las microestructuras con diferentes adhesivos. Sin embargo, no se encontraron otros adhesivos que presentaran mejor resultado que el anteriormente utilizado (poliuretano). A medida que los científicos han ido probando diferentes adhesivos, han ido asegurando que la mezcla vidrio-poliuretano presenta mayor resistencia a los golpes que las otras mezclas anteriores. Algunos de los ejemplos de resultados fallidos fueron las pruebas con polimetacrilato, que resultó ser demasiado débil como para poder aguantar una presión significativa; el cianocrilato (utilizado por los forenses para hacer visibles las huellas dactilares) presentaba una estructura demasiado fuerte pero a la vez, frágil. En un futuro, los investigadores esperan aumentar aún más la capacidad de absorción de presión en estructuras más pequeñas. Una vez más, la naturaleza nos sirve como modelo.

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