Inspirados por la arquitectura de la capa exterior resistente del hueso humano, ingenieros de Princeton han desarrollado un material a base de cemento 5,6 veces más resistente a los daños que el normal.
El diseño de inspiración biológica permite que el material resista el agrietamiento y evite fallas repentinas, a diferencia de sus homólogos convencionales y frágiles a base de cemento.
En un nuevo artículo en la revista Advanced Materials, el equipo de investigación dirigido por Reza Moini, profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental, y Shashank Gupta, candidato a doctorado de tercer año, demuestra que la pasta de cemento aplicada con una arquitectura similar a un tubo puede aumentar significativamente la resistencia a la propagación de grietas y mejorar la capacidad de deformarse sin fallas repentinas.
"Uno de los desafíos en la ingeniería de materiales de construcción frágiles es que fallan de manera abrupta y catastrófica", dijo Gupta en un comunicado.
En los materiales de construcción frágiles utilizados en la construcción y la infraestructura civil, la resistencia garantiza la capacidad de soportar cargas, mientras que la tenacidad respalda la resistencia al agrietamiento y la propagación de daños en la estructura. La técnica propuesta aborda esos problemas creando un material que es más resistente que sus homólogos convencionales, manteniendo al mismo tiempo su resistencia.
Moini dijo que la clave de la mejora reside en el diseño intencionado de la arquitectura interna, equilibrando las tensiones en el frente de la grieta con la respuesta mecánica general.
"Utilizamos principios teóricos de mecánica de fracturas y mecánica estadística para mejorar las propiedades fundamentales de los materiales 'por diseño'", dijo.
El equipo se inspiró en el hueso cortical humano, la densa capa exterior de los fémures humanos que proporciona resistencia y resiste la fractura. El hueso cortical consta de componentes tubulares elípticos conocidos como osteonas, incrustados débilmente en una matriz orgánica. Esta arquitectura única desvía las grietas alrededor de las osteonas. Esto evita un fallo abrupto y aumenta la resistencia general a la propagación de grietas, dijo Gupta.
El diseño de inspiración biológica del equipo incorpora tubos cilíndricos y elípticos dentro de la pasta de cemento que interactúan con las grietas que se propagan.
"Uno espera que el material se vuelva menos resistente al agrietamiento cuando se incorporan tubos huecos", dijo Moini. "Aprendimos que al aprovechar la geometría, el tamaño, la forma y la orientación del tubo, podemos promover la interacción grieta-tubo para mejorar una propiedad sin sacrificar otra".
El equipo descubrió que esta interacción mejorada grieta-tubo inicia un mecanismo de endurecimiento gradual, donde la grieta primero es atrapada por el tubo y luego se retrasa su propagación, lo que genera una disipación de energía adicional en cada interacción y paso.
"Lo que hace que este mecanismo gradual sea único es que se controla la extensión de cada grieta, lo que evita un fallo repentino y catastrófico", dijo Gupta. "En lugar de romperse de una vez, el material resiste el daño progresivo, lo que lo hace mucho más resistente".
A diferencia de los métodos tradicionales que refuerzan los materiales a base de cemento agregando fibras o plásticos, el enfoque del equipo de Princeton se basa en el diseño geométrico. Al manipular la estructura del propio material, logran mejoras significativas en la tenacidad sin la necesidad de material adicional.
Además de mejorar la tenacidad a la fractura, los investigadores introdujeron un nuevo método para cuantificar el grado de desorden, una cantidad importante para el diseño. Basándose en la mecánica estadística, el equipo introdujo parámetros para cuantificar el grado de desorden en los materiales arquitectónicos. Esto permitió a los investigadores crear un marco numérico que refleja el grado de desorden de la arquitectura.
Los investigadores afirmaron que el nuevo marco proporciona una representación más precisa de las disposiciones del material, avanzando hacia un espectro que va de lo ordenado a lo aleatorio, más allá de las simples clasificaciones binarias de periódico y no periódico. Moini dijo que el estudio hace una distinción entre los enfoques que confunden irregularidad y perturbación con trastornos estadísticos como la teselación de Voronoi y los métodos de perturbación.
"Este enfoque nos proporciona una herramienta poderosa para describir y diseñar materiales con un grado de desorden personalizado", dijo Moini. "El uso de métodos de fabricación avanzados como la fabricación aditiva puede promover aún más el diseño de estructuras más desordenadas y mecánicamente favorables y permitir la ampliación de estos diseños tubulares para componentes de infraestructura civil con hormigón".
El equipo de investigación también ha desarrollado recientemente técnicas que permiten un alto grado de precisión mediante el uso de la robótica y la fabricación aditiva. Al aplicarlos a nuevas arquitecturas y combinaciones de materiales duros o blandos dentro de los tubos, esperan ampliar las posibilidades de aplicaciones en materiales de construcción.
"Solo hemos comenzado a explorar las posibilidades", dijo Gupta. "Hay muchas variables para investigar, como aplicar el grado de desorden al tamaño, la forma y la orientación de los tubos en el material. Estos principios podrían aplicarse a otros materiales frágiles para diseñar materiales más resistentes a los daños"
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