Utilizando madera endurecida, científicos de materiales de la Universidad de Maryland han logrado desarrollar un nuevo método de fabricar cuchillos afilados haciendo que la madera sea 23 veces más dura.

Ello permite, por ejemplo, fabricar cuchillos casi tres veces más afilado que un cuchillo de mesa de acero inoxidable, o clavos de madera tan afilados como los clavos de acero convencionales (y, además, resistentes a la oxidación por ser de madera).

Sacándole el máximo partido a la celulosa

Si bien el método para producir madera endurecida es nuevo, el procesamiento de la madera en general ha existido durante siglos. Lo que sucede es que la celulosa, el componente principal de la madera, tiene una relación más alta de resistencia a densidad que la mayoría de los materiales de ingeniería, como cerámica, metales y polímeros, pero nuestro uso actual de madera apenas alcanza su máximo potencial.

A pesar de que se utiliza a menudo en la construcción, la resistencia de la madera es inferior a la de la celulosa. Esto se debe a que la madera está compuesta solo por un 40% - 50% de celulosa, y el resto está compuesto por hemicelulosa y lignina, que actúa como aglutinante.

El proceso para crear esta supermadera tiene dos pasos. El primer paso requiere hervir la madera a 100 grados Celsius en un baño de productos químicos. De esta manera se deslignifica parcialmente la madera. Por lo general, la madera es muy rígida, pero después de quitar la lignina, se vuelve blanda, flexible y algo blanda.

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Bioplásticos más duraderos y sostenibles desarrollados aprovechando subproductos de la madera

En el segundo paso, se realiza un prensado en caliente aplicando presión y calor a la madera procesada químicamente para densificar y eliminar el agua. Una vez que el material se procesa y se talla en la forma deseada, se recubre con aceite mineral para prolongar su vida útil. La celulosa tiende a absorber agua, por lo que este recubrimiento conserva el filo del cuchillo durante el uso y cuando se lava en el fregadero o lavavajillas.

Si bien las técnicas como el templado y el laminado pueden ayudar a reforzar el vidrio, son costosas y ya no funcionan una vez que se daña la superficie. Por ello, investigadores de la Universidad McGill han desarrollado un vidrio más fuerte y resistente, inspirado en la capa interna de los caparazones de los moluscos.

En lugar de romperse con el impacto, el nuevo material tiene la resistencia del plástico y podría usarse para mejorar las pantallas de los teléfonos móviles en el futuro, así como otras aplicaciones.

Imitación del nácar

Inspirándose en la naturaleza, se ha creado así un nuevo material compuesto de vidrio y acrílico que imita al nácar, pues tomaron la arquitectura del nácar y la replicaron con capas de escamas de vidrio y acrílico, produciendo un material excepcionalmente fuerte pero opaco que se puede producir de manera fácil y económica.

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Se ha desarrollado una pintura tan blanca que refleja el 98,1% de la radiación solar y podría sustituir el aire acondicionado

Según explica Allen Ehrlicher, profesor asociado en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad McGill:

Hasta ahora existían compensaciones entre alta resistencia, tenacidad y transparencia. Nuestro nuevo material no solo es tres veces más fuerte que el vidrio normal, sino también más de cinco veces más resistente a las fracturas. (...) Sorprendentemente, el nácar tiene la rigidez de un material rígido y la durabilidad de un material blando, lo que le da lo mejor de ambos mundos. Está hecho de piezas rígidas de materia similar a la tiza que están cubiertas con proteínas suaves que son altamente elásticas. Esta estructura produce una resistencia excepcional, haciéndola 3.000 veces más resistente que los materiales que la componen.

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Este nuevo material convierte calor en electricidad de forma más eficiente que se ha registrado hasta el momento

Finalmente, dieron un paso más para hacer que el compuesto fuera ópticamente transparente: al ajustar el índice de refracción del acrílico, lograron que se mezclara perfectamente con el vidrio para hacer un compuesto verdaderamente transparente. Como próximos pasos, planean mejorarlo incorporando tecnología inteligente que permita que el vidrio cambie sus propiedades, como el color, la mecánica y la conductividad.

Si el Vantablack era el color más negro que se ha logado conseguir (captura más del 99,995 por ciento de cualquier luz entrante), esta nueva pintura es lo contrario, la más blanca que se ha logrado (refleja el 98,1% de la radiación solar).

Esta nueva pintura también ha sido recogida así en el libro Guinness World Records.

El secreto: sulfato de bario

Los ingenieros de la Universidad de Purdue en Indiana, desarrollaron recientemente una pintura ultra blanca que incorpora partículas de sulfato de bario que es hasta un 98,1% reflectante. Esto se compara con una reflectividad del 80-90% para otras pinturas blancas diseñadas para reflejar la luz solar que están disponibles actualmente.

Así se usa sulfato de bario como pigmento en vez de dióxido de titanio porque no es que refleje más luz, sino que refleja luz en más longitudes de onda. Las pinturas en el mercado que están diseñadas para rechazar el calor reflejan solo del 80% al 90% de la luz solar y no pueden hacer que las superficies sean más frías que su entorno.

Se considera que estas pinturas pueden cambiar las reglas del juego para ser sostenibles a nivel medioambiental, en particular en las ciudades, pues obtendremos temperaturas más frescas sin hacer tanto uso de la electricidad. Los edificios cubiertos con una capa de esta pintura necesitarían depender mucho menos del aire acondicionado que consume mucha energía.

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El material más negro del mundo se presenta en una exhibición en la Bolsa de Nueva York

Con el objetivo de resaltar los posibles beneficios del enfriamiento radiativo, Xiulin Ruan (que formó parte del estudio) ha señalado:

Si usara esta pintura para cubrir un área de techo de aproximadamente 1,000 pies cuadrados (93 m2]), estimamos que podría obtener una potencia de enfriamiento de hasta 10 kilovatios. Eso es más poderoso que los acondicionadores de aire que usan la mayoría de las casas.

Se estima, pues, que solo se requeriría que entre el 0,5 y el 1% de la superficie de la Tierra se cubriera con esta pintura (por ejemplo, pintando techos) para revertir el calentamiento global.

El seleniuro de estaño purificado en forma policristalina se ha alzado con el primer puesto como mejor material termoeléctrico, es decir, capaz de convertir calor en electricidad. Este material podría desarrollarse para su uso en dispositivos termoeléctricos de estado sólido en una variedad de industrias

Los investigadores pudieron lograr la alta tasa de conversión después de identificar y eliminar un problema de oxidación que había degradado el rendimiento en estudios anteriores.

Ideal para el calor residual

Más del 65% de la energía producida a nivel mundial a partir de combustibles fósiles se pierde como calor residual. Un objetivo de aplicación clave es capturar el calor residual industrial, como el de las plantas de energía, la industria automotriz y las fábricas de vidrio y ladrillos, y convertirlo en electricidad.

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Este nuevo material tiene una conductividad térmica mucho menor que cualquiera de los materiales que conocemos

Los detalles del material termoeléctrico y su rendimiento récord se han presentado en la revista Nature Materials. Según ha explicado la coautora de la investigación** Mercouri Kanatzidis**, de la Universidad Northwestern, química que se especializa en el diseño de nuevos materiales:

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Estas bacterias transgénicas son capaces de producir seda más fuerte que la de araña

Los dispositivos termoeléctricos están en uso, pero sólo en aplicaciones específicas, como en el rover Perseverance de Marte. Estos dispositivos no se han popularizado como las células solares, y existen desafíos importantes para hacer buenos. Nos estamos enfocando en desarrollar un material que sea de bajo costo y alto rendimiento y que impulse los dispositivos termoeléctricos a una aplicación más generalizada.

La seda que producen las arañas es s uno de los materiales más resistentes y flexibles que se conocen. Su dureza supera a las de fibras artificiales como el Nylon o el Kevlar, y es capaz de estirarse hasta un 40% sin deformarse volviendo a su forma original después.

Sin embargo, les ha salido un duro competidor: unas fibras que han sido producidas gracias a bacterias que fueron modificadas genéticamente en el laboratorio de Fuzhong Zhang, del Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química en el Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en Saint Louis.

Fibras más fuertes y resistentes

El equipo de investigación modificó la secuencia de aminoácidos de las proteínas de la seda de araña para introducir nuevas propiedades, manteniendo algunas de las características atractivas de la seda de araña.

De esta manera, fibras más fuertes y resistentes que algunas sedas de araña naturales han sido obtenidas mediante protéinas híbridas de seda amiloide de diseño producidas en bacterias modificadas genéticamente.

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Se obtiene fibra más fuerte gracias a seda de araña con grafeno

Las proteínas de 128 repeticiones dieron como resultado una fibra con una fuerza gigapascal (una medida de cuánta fuerza se necesita para romper una fibra de diámetro fijo), que es más fuerte que el acero común. La tenacidad de las fibras (una medida de cuánta energía se necesita para romper una fibra) es más alta que la del Kevlar y todas las fibras de seda recombinantes anteriores. Su fuerza y dureza son incluso más altas que las de algunas fibras de seda de araña natural reportadas.

Un nuevo material inorgánico con la menor conductividad térmica jamás registrada ha sido desarrollado por un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Liverpool, en Reino Unido.

Si tomamos la conductividad térmica del acero como 1, entonces una barra de titanio es 0,1, el agua y un ladrillo de construcción es 0,01, el nuevo material es 0,001 y el aire es 0,0005.

Hacia una sociedad más sostenible

Este descubrimiento representa un gran avance en el control del flujo de calor a escala atómica, logrado mediante el diseño de materiales. Este descubrimiento allana el camino para el desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos que serán fundamentales para una sociedad sostenible.

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Este nuevo material ultraligero ha demostrado resistencia al impacto de micropartículas a velocidad supersónica

Aproximadamente el 70% de toda la energía generada en el mundo se desperdicia en forma de calor. Los materiales de baja conductividad térmica son esenciales para reducir y aprovechar este desperdicio. Tal y como explica Matt Rosseinsky, del Departamento de Química y la Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad;

El material descubierto tiene la conductividad térmica más baja de cualquier sólido inorgánico y es casi tan mal conductor del calor como el propio aire. Las implicaciones de este descubrimiento son importantes, tanto para la comprensión científica fundamental como para las aplicaciones prácticas en dispositivos termoeléctricos que recogen el calor residual y como revestimientos de barrera térmica para turbinas de gas más eficientes.

Ingenieros del MIT, Caltech y ETH Zürich han investigado las propiedades de los materiales "nanoarquitecturados" (materiales diseñados a partir de estructuras a nanoescala con patrones precisos). Uno de sus últimos materiales, más delgado que el ancho de un cabello humano, ha demostrado poder resistir el impacto de micropartículas a velocidad supersónica.

Estamos ante un material ultraligero de puntales de carbono a escala nanométrica, que le dan dureza y robustez mecánica, que en comparación con el acero, el kevlar, el aluminio y otros materiales resistentes a los impactos de peso comparable, es más eficiente para absorber los impactos.

Alternativas más ligeras al acero o el kevlar

Para probar la resistencia del material a la deformación extrema, el equipo realizó experimentos de impacto de micropartículas en el MIT utilizando pruebas de impacto de partículas inducidas por láser. La técnica apunta con un láser ultrarrápido a través de un portaobjetos de vidrio recubierto con una fina película de oro, que a su vez está recubierta con una capa de micropartículas, en este caso, partículas de óxido de silicio de 14 micrones de ancho.

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Los edificios que se pintan con esta pintura extra blanca están más refrigerados que si usaran climatizador

A medida que el láser pasa a través del portaobjetos, genera un plasma, o una rápida expansión de gas del oro, que empuja las partículas de óxido de silicio en la dirección del láser. Esto hace que las micropartículas se aceleren rápidamente hacia el objetivo. Los investigadores pueden ajustar la potencia del láser para controlar la velocidad de los proyectiles de micropartículas. En sus experimentos, exploraron un rango de velocidades de micropartículas, de 40 a 1100 metros por segundo, dentro del rango supersónico.

Esta nueva clase de materiales podrían ser útiles para desarrollar armaduras ligeras, revestimientos protectores, escudos explosivos y otros materiales resistentes a impactos materiales, y también podrían potencialmente diseñarse como alternativas más ligeras y resistentes al Kevlar y al acero.

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Primera prueba de que los diamantes hexagonales artificiales son más robustos que los diamantes cúbicos naturales

Tal y como explica la coautora Julia R. Greer que ha sido publicado en Nature Materials, profesora de ciencia de materiales, mecánica e ingeniería médica en Caltech, cuyo laboratorio dirigió la fabricación del material:

El conocimiento de este trabajo podría proporcionar principios de diseño para materiales ultraligeros resistentes al impacto para su uso en materiales de blindaje eficientes, revestimientos protectores y escudos resistentes a explosiones deseables en aplicaciones espaciales y de defensa.

Ingenieros de la Universidad de Purdue han creado la pintura más blanca hasta ahora a fin de revestir edificios con ella para que, algún día, se enfríen lo suficiente como para reducir la necesidad de aire acondicionado.

Según Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica y autor principal del estudio que describe este hallazgo:

Si usara esta pintura para cubrir un área de techo de aproximadamente 1.000 pies (333 metros) cuadrados, estimamos que podría obtener una potencia de enfriamiento de 10 kilovatios. Eso es más potente que los acondicionadores de aire centrales que usan la mayoría de las casas.

Ultrablanco

Las pinturas en el mercado que están diseñadas para rechazar el calor reflejan solo del 80% al 90% de la luz solar y no pueden hacer que las superficies sean más frías que su entorno.

Pero los investigadores creen que este blanco puede ser el equivalente más cercano del negro más negro, "Vantablack", que absorbe hasta el 99,9% de la luz visible. La nueva fórmula de pintura más blanca refleja hasta el 98,1% de la luz solar, en comparación con el 95,5% de la luz solar reflejada por la pintura ultra blanca anterior de los investigadores, y envía el calor infrarrojo lejos de una superficie al mismo tiempo.

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Ingenieros del MIT logran crear un material con un negro diez veces más profundo que el Vantablack

Dos características dan a la pintura su extrema blancura:

1. concentración muy alta de la pintura de un compuesto químico llamado sulfato de bario que también se usa para hacer que el papel fotográfico y los cosméticos sean blancos.
2. las partículas de sulfato de bario tienen diferentes tamaños en la pintura. La cantidad de luz que dispersa cada partícula depende de su tamaño por lo que una gama más amplia de tamaños de partículas permite que la pintura disperse más del espectro de luz del sol.

Llamados así por su estructura cristalina de seis lados, los diamantes hexagonales son esquivos: se han encontrado diamantes hexagonales en algunos sitios de impacto de meteoritos, y otros se han hecho brevemente en laboratorios.

Los diamantes hexagones, sin embargo, han sido siempre pequeños o efímeros, así que ha resultado difícil medir su rigidez. Ahora se ha logrado concebir un diamante hexagonal más grande y tenemos las primeras pruebas de su rigidez comparada con el diamante cúbico natural que se usa, por ejemplo, en joyería.

Diamantes hexagonales

La rigidez es la capacidad de un material para resistir la deformación bajo una fuerza o presión; por ejemplo, una roca es más rígida que el caucho, ya que el caucho se dobla cuando se presiona. La dureza es la resistencia al rayado u otras deformaciones superficiales.

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Identificados diamantes tan antiguos como la Luna en el manto de la Tierra

Según publican en Physical Review B., científicos del Instituto de Física del Choque de la Universidad Estatal de Washington crearon diamantes hexagonales lo suficientemente grandes como para medir su rigidez utilizando ondas sonoras.

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Este meteorito los trajo un puñado de diamantes de origen extraterrestre

Para el estudio utilizaron pólvora y gas comprimido para impulsar pequeños discos de grafito del tamaño de una moneda de diez centavos a una velocidad de alrededor de 22.000 kilómetros por hora sobre un material transparente. El impacto produjo ondas de choque en los discos que muy rápidamente los transformaron en diamantes hexagonales. Inmediatamente después del impacto, los investigadores produjeron una pequeña onda de sonido y utilizaron láseres para medir su movimiento a través del diamante.

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Se encuentra uno de los diamantes de mayor calidad de la historia

Según explica Yogendra Gupta, director del Instituto de Física del Choque y autor correspondiente del estudio:

No solo es el más fuerte, tiene hermosas propiedades ópticas y una conductividad térmica muy alta. Ahora hemos creado la forma hexagonal del diamante, producido mediante experimentos de compresión por impacto, que es significativamente más rígido y resistente que los diamantes de gemas normales.

El material resultante muestra una alta resistencia mecánica, estabilidad al contener líquidos y resistencia a la luz ultravioleta. Es un bioplástico nuevo desarrollado aprovechando subproductos de la madera, según un estudio publicado en Nature Sustainability.

También se puede reciclar o biodegradar de forma segura en el entorno natural, y tiene un menor impacto medioambiental durante el ciclo de vida en comparación con los plásticos a base de petróleo y otros plásticos biodegradables.

Polvo de madera descartado

Los investigadores utilizaron un polvo de madera, un residuo de procesamiento que generalmente se descarta como desperdicio en los aserraderos, y deconstruyeron la estructura suelta y porosa del polvo con un solvente eutéctico profundo biodegradable y reciclable (DES).

Según explica Yuan Yao, profesor asistente de ecología industrial y sistemas sostenibles en la Escuela de Medio Ambiente de la Universidad de Yale (YSE):

Hay muchas personas que han intentado desarrollar este tipo de polímeros en plástico, pero los hilos mecánicos no son lo suficientemente buenos para reemplazar los plásticos que usamos actualmente, que están hechos principalmente de combustibles fósiles. Hemos desarrollado un proceso de fabricación sencillo y directo que genera plásticos a base de biomasa a partir de la madera, pero también plástico que también ofrece buenas propiedades mecánicas.

Si bien el proceso actualmente utiliza subproductos de la madera en la fabricación, los investigadores señalan que son conscientes de que la producción a gran escala podría requerir el uso de cantidades masivas de madera, lo que podría tener implicaciones de gran alcance en los bosques, por ello el equipo de investigación continúa investigando es el impacto potencial en los bosques si se amplía la fabricación de este bioplástico.