En el diseño de metamateriales, el lema del juego ha sido desde hace tiempo “cuanto más fuerte, mejor”.

Los metamateriales son materiales sintéticos con estructuras microscópicas que les confieren propiedades excepcionales. Se ha puesto gran énfasis en el diseño de metamateriales más resistentes y rígidos que sus homólogos convencionales. Sin embargo, existe una desventaja: cuanto más rígido es un material, menos flexible es.

Los ingenieros del MIT han descubierto la manera de fabricar un metamaterial resistente y elástico. El material base suele ser muy rígido y frágil, pero se imprime con patrones precisos e intrincados que forman una estructura resistente y flexible.

La clave de las propiedades duales del nuevo material reside en una combinación de soportes microscópicos rígidos y una arquitectura de tejido más suave. Esta "red doble" microscópica, impresa con un polímero similar al plexiglás, produjo un material que podía estirarse cuatro veces su tamaño sin romperse por completo. En comparación, el polímero en otras formas presenta poca o ninguna elasticidad y se rompe fácilmente al agrietarse.

Los investigadores afirman que el nuevo diseño de doble red puede aplicarse a otros materiales, por ejemplo, para fabricar cerámica elástica, vidrio y metales. Estos materiales, resistentes pero flexibles, podrían convertirse en textiles resistentes al desgarro, semiconductores flexibles, encapsulados de chips electrónicos y andamios duraderos y flexibles para el cultivo de células para la reparación de tejidos.

“Estamos abriendo un nuevo camino para los metamateriales”, afirma Carlos Portela, profesor asociado de Desarrollo Profesional Robert N. Noyce en el MIT. “Se podría imprimir un metal o cerámica de doble red y obtener muchas de estas ventajas, ya que se necesitaría más energía para romperlos y serían mucho más elásticos”.

Portela y sus colegas publican sus hallazgos hoy en la revista Nature Materials. Entre sus coautores del MIT se encuentran el primer autor, James Utama Surjadi, así como Bastien Aymon y Molly Carton.

Gel inspirado

Junto con otros grupos de investigación, Portela y sus colegas suelen diseñar metamateriales mediante la impresión o nanofabricación de redes microscópicas con polímeros convencionales similares al plexiglás y la cerámica. El patrón específico, o arquitectura, que imprimen puede conferir una resistencia excepcional al metamaterial resultante.

Hace varios años, Portela tenía curiosidad por saber si se podía hacer un metamaterial a partir de un material inherentemente rígido, pero diseñarlo de manera que se convirtiera en una versión mucho más suave y elástica.

“Nos dimos cuenta de que el campo de los metamateriales no ha intentado realmente impactar en el ámbito de la materia blanda”, afirma. “Hasta ahora, todos hemos buscado los materiales más rígidos y resistentes posibles”.

En cambio, buscó la manera de sintetizar metamateriales más blandos y elásticos. En lugar de imprimir puntales y cerchas microscópicos, similares a los de los metamateriales convencionales basados ​​en celosías, él y su equipo crearon una arquitectura de resortes o bobinas entrelazadas. Descubrieron que, si bien el material utilizado era rígido como el plexiglás, el metamaterial tejido resultante era blando y elástico, como el caucho.

“Eran elásticos, pero demasiado suaves y cómodos”, recuerda Portela.

Al buscar maneras de aumentar el volumen de su metamaterial más blando, el equipo se inspiró en un material completamente diferente: el hidrogel. Los hidrogeles son materiales blandos, elásticos, similares a la gelatina, compuestos principalmente de agua y una pequeña cantidad de estructura polimérica. Investigadores, incluidos grupos del MIT, han ideado maneras de crear hidrogeles que sean suaves y elásticos, además de resistentes. Lo consiguen combinando redes poliméricas con propiedades muy diferentes, como una red de moléculas naturalmente rígida que se reticula químicamente con otra red molecular inherentemente blanda. Portela y sus colegas se preguntaron si este diseño de doble red podría adaptarse a los metamateriales.

“Ese fue nuestro momento revelador”, dice Portela. “Pensamos: ¿Podemos inspirarnos en estos hidrogeles para crear un metamaterial con propiedades de rigidez y elasticidad similares?”

pavonearse y tejer

Para su nuevo estudio, el equipo fabricó un metamaterial combinando dos arquitecturas microscópicas. La primera es un andamiaje rígido, en forma de rejilla, de puntales y cerchas. La segunda es un patrón de bobinas que se entrelazan alrededor de cada puntal y cercha. Ambas redes están hechas del mismo plástico acrílico y se imprimen de una sola vez mediante una técnica de impresión láser de alta precisión llamada litografía de dos fotones.

Los investigadores imprimieron muestras del nuevo metamaterial inspirado en la doble red, cada una con un tamaño que oscilaba entre varias micras cuadradas y varios milímetros cuadrados. Sometieron el material a una serie de pruebas de tensión, en las que sujetaron cada extremo de la muestra a una prensa nanomecánica especializada y midieron la fuerza necesaria para separar el material. También grabaron vídeos de alta resolución para observar las ubicaciones y las formas en que el material se estiraba y se desgarraba al separarse.

Descubrieron que su nuevo diseño de doble red podía estirarse tres veces su propia longitud, lo que resultó ser diez veces mayor que un metamaterial convencional con patrón reticular impreso con el mismo plástico acrílico. Portela afirma que la resistencia a la elasticidad del nuevo material proviene de las interacciones entre los puntales rígidos del material y el tejido más desordenado y en espiral a medida que el material se somete a tensión y tracción.

“Piensen en esta red tejida como un revoltijo de espaguetis enredados en un entramado. Al romper la red monolítica, las partes rotas se suman al proceso, y ahora todos estos espaguetis se enredan con los trozos del entramado”, explica Portela. “Eso promueve un mayor entrelazamiento entre las fibras tejidas, lo que significa mayor fricción y mayor disipación de energía”.

En otras palabras, la estructura más blanda, enrollada a lo largo de la red rígida del material, soporta mayor tensión debido a los múltiples nudos o enredos que generan los puntales agrietados. Dado que esta tensión se distribuye de forma desigual por el material, es improbable que una grieta inicial lo atraviese directamente y lo desgarre rápidamente. Además, el equipo descubrió que si introducían agujeros estratégicos, o "defectos", en el metamaterial, podrían disipar aún más la tensión que sufre el material, haciéndolo aún más elástico y resistente al desgarro.

“Podría pensarse que esto empeora el material”, afirma Surjadi, coautor del estudio. “Pero vimos que, al añadir defectos, duplicamos la capacidad de estiramiento y triplicamos la energía disipada. Esto nos da un material rígido y resistente, lo cual suele ser una contradicción”.

El equipo ha desarrollado un marco computacional que puede ayudar a los ingenieros a estimar el rendimiento de un metamaterial dado el patrón de sus redes rígidas y elásticas. Prevén que este modelo será útil para diseñar textiles y telas resistentes al desgarro.

“También queremos probar este enfoque en materiales más frágiles para dotarlos de multifuncionalidad”, dice Portela. “Hasta ahora hemos hablado de propiedades mecánicas, pero ¿y si pudiéramos hacerlos conductores o sensibles a la temperatura? Para ello, las dos redes podrían estar hechas de polímeros diferentes, que responden a la temperatura de distintas maneras, de modo que un tejido pueda abrir sus poros o volverse más flexible cuando hace calor y más rígido cuando hace frío. Eso es algo que podemos explorar ahora”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Fondo Semilla de MIT MechE MathWorks. Este trabajo se realizó, en parte, mediante el uso de las instalaciones de MIT.nano.

​Autor​