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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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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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.

Según un nuevo estudio publicado por investigadores químicos en la revista Chem, al formular tintes fluorescentes cargados positivamente en una nueva clase de materiales llamados celosías de aislamiento iónico de moléculas pequeñas (SMILES), el brillo de un compuesto se puede transferir sin problemas a un estado sólido y cristalino.

El avance supera una barrera para el desarrollo de sólidos fluorescentes, lo que da como resultado los materiales más brillantes conocidos hasta la fecha.

Sólidos fluorescentes

Si bien actualmente hay más de 100.000 tintes fluorescentes diferentes disponibles, casi ninguno de estos se puede mezclar y combinar de manera predecible para crear materiales ópticos sólidos. Los tintes tienden a 'apagarse' cuando entran en un estado sólido debido a cómo se comportan cuando se empaquetan muy juntos, disminuyendo la intensidad de su fluorescencia para producir un brillo más tenue.

Para superar este problema, se ha mezclado un tinte de color con una solución incolora de cianoestrella, una molécula de macrociclo en forma de estrella que evita que las moléculas fluorescentes interactúen a medida que la mezcla se solidifica, manteniendo intactas sus propiedades ópticas.

A medida que la mezcla se convirtió en un sólido, se formaron SMILES, que luego los investigadores convirtieron en cristales, precipitaron en polvos secos y finalmente se hilaron en una película delgada o se incorporaron directamente en polímeros. Dado que los macrociclos de cianoestrellas forman bloques de construcción que generan un tablero de ajedrez en forma de celosía, los investigadores podrían simplemente conectar un tinte en la celosía y, sin más ajustes, la estructura tomaría su color y apariencia.

Según Amar Flood, químico de la Universidad de Indiana y coautor principal del estudio, junto con Bo Laursen, de la Universidad de Copenhague:

Estos materiales tienen aplicaciones potenciales en cualquier tecnología que necesite fluorescencia brillante o requiera diseñar propiedades ópticas, incluida la recolección de energía solar, bioimágenes y láseres.

Más allá de estas, existen aplicaciones interesantes que incluyen la conversión ascendente de luz para capturar una mayor parte del espectro solar en las células solares, materiales de conmutación de luz utilizados para el almacenamiento de información y vidrio fotocrómico, y luminiscencia polarizada circularmente que se puede utilizar en la tecnología de visualización 3-D.

Una nueva tecnología que les permite construir mecanismos complejos en el exterior de una estructura sin ocupar espacio real debajo de la superficie, bautizada como "mecanismos desarrollables", podría abrir la puerta a la concepción de cosas como el traje de exoesqueleto transformador de Iron Man.

Los desarrolladores de esta tecnología han sido ingenieros de la Universidad Brigham Young (BYU), publicando los detalles en la revista Science Robotics.

Multiuso

Esta nueva clase de estructuras mecánicas se desarrolló a partir del trabajo de Howell y su colega Spencer Magleby sobre ingeniería basada en origami. Obtienen su nombre de superficies desarrollables, o materiales que pueden tomar formas 3D de conformaciones planas sin rasgarse o estirarse, como una hoja de papel o metal. Tal y como explica Larry Howell, profesor de ingeniería mecánica en BYU:

Estos nuevos descubrimientos hacen posible construir máquinas complejas que se integran con las superficies para ser muy compactas, pero que pueden implementarse y realizar tareas complejas. Abre un nuevo mundo de dispositivos potenciales que tienen más funciones, pero aún son muy compactos.

Desde paneles solares para la NASA hasta barreras a prueba de balas para los oficiales de policía. Sus posibilidades son muy amplias y implican cambos como el transporte, el ámbito militar, el espacial o incluso el médico (por ejemplo, instrumentos quirúrgicos que pueden cortar materiales y desplegar luces simultáneamente durante una cirugía mínimamente invasiva).

Normalmente lleva una década o dos obtener un material desde el descubrimiento hasta su uso comercial, pero la Inteligencia Artificial (IA) puede reducir ostensiblemente ese tiempo y, además, en una fracción de su coste.

Para probarlo, investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory aprovecharon un sistema de la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford que combina el aprendizaje automático para acelerar el descubrimiento de vidrio metálico.

Vidrio metálico

La Inteligencia Artificial va a cambiar el panorama de cómo se hace la ciencia de los materiales, y este es el primer paso. Según el profesor de la Universidad Northwestern Chris Wolverton, coautor de este estudio:

Este es un gran paso para tratar de reducir ese tiempo. Podrías comenzar con nada más que una lista de propiedades que deseas en un material y, usando inteligencia artificial, reducir rápidamente el enorme campo de materiales potenciales a unos pocos buenos candidatos.

De esta forma, si durante el último medio siglo se ha investigado alrededor de 6.000 combinaciones de ingredientes que forman vidrio metálico, con este sistema en el que participa la IA la cifra llegó a 20.000 en solo un año. El vidrio metálico es una aleación amorfa, con sus átomos dispuestos en todas direcciones, que no solo resiste mejor el desgaste y la corrosión, sino que es más fuerte y ligero que el acero.

Según Jason Hattrick-Simpers, un ingeniero de investigación de materiales en NIST:

Uno de los aspectos más emocionantes de esto es que podemos hacer predicciones con tanta rapidez y hacer que los experimentos pasen tan rápido que podemos permitirnos investigar materiales que no siguen nuestras reglas generales sobre si un material formará o no un vaso.

En Ámsterdam se va a inaugurar un pasillo de supermercado "libre de plásticos". Más de 700 productos estarán disponibles sin envoltorios de plástico en el pasillo que se está instalando en una nueva tienda piloto de la cadena de supermercados Ekoplaza en la ciudad holandesa, que incluye carne, arroz, salsas, lácteos, chocolate, cereales, fruta y vegetales.

El problema del pástico

En los Países Bajos, Ekoplaza lanzará pasillos libres de plástico en sus 74 sucursales para finales de este año. El pasillo se usará para probar nuevos materiales biológicos compostables, así como para usar materiales tradicionales, como vidrio, metal y cartón.

Y los productos dentro del pasillo llevarán la marca de plástico libre, una etiqueta presentada por A Plastic Planet para ayudar a los compradores a identificar fácilmente los productos que están completamente libres de envases de plástico.

El grupo ambientalista A Plastic Planet, que tuvo la idea, dijo que la introducción del primer pasillo libre de plásticos del mundo fue un "momento histórico" para la lucha mundial contra la contaminación por plástico. Un cofundador de Plastic Planet, Sian Sutherland, instó a los supermercados británicos a seguir el ejemplo de Ekoplaza e introducir pasillos sin empaques de plástico a la primera oportunidad. Según Plastic Planet, los pasillos libres de plástico son una forma realmente innovadora de probar los biomateriales compostables que ofrecen una alternativa más ecológica al embalaje de plástico.”

Un nuevo sistema de fabricación de polímeros más fuertes y elásticos ha sido inspirado, como muchas otras cosas, por la naturaleza.

Concretamente, por el biso, una fibra natural obtenida de los filamentos que segregan moluscos como los mejillones.

Fortaleza sin fragilidad

Hacer esos materiales más fuertes por lo general significa hacerlos más frágiles, ya que, estructuralmente, los elastómeros son redes sin forma de hilos de polímeros, pero investigadores afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales de la Universidad de California Santa Bárbara (UCSB), en Estados Unidos, han desarrollado un método para superar la compensación inherente entre la resistencia y la flexibilidad en polímeros elastoméricos.

Como explica la autora Megan Valentine, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la UCSB:

En este documento, demostramos nuestra capacidad de utilizar esa comprensión para desarrollar materiales artificiales útiles. Este trabajo abre interesantes vías de descubrimiento para muchas aplicaciones comerciales e industriales.

Este polímero no solo mantuvo su elasticidad, sino que también se volvió 800 veces más rígida y 100 veces más dura.

Inspirándose en el moldeado del sistema real del pulpo y de la sepia, investigadores de de Cornell han desarrollado superficies extensibles con una textura en 3D programable.

El trabajo ha sido liderado por James Pikul y Robert Shepherd y publicado en Science.

Camuflaje dinámico

Estos animales también pueden transformar rápida y reversiblemente su piel en una superficie texturizada en 3D, dando al animal un contorno irregular que imita a las algas marinas, el coral u otros objetos que detecta y usa para camuflarse.

El avance de los ingenieros fue desarrollar grupos de tejido sintético que permiten que materiales extensibles en 2D programables se extiendan y retraigan una gama de formas en 3D. Según explica James Pikul, actualmente profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de la Universidad de Pensilvania:

Los ingenieros han desarrollado una gran cantidad de formas sofisticadas para controlar la forma de los materiales blandos y elásticos, pero queríamos hacerlo de una manera sencilla, rápida, fuerte y fácil de controlar. Nos atrajo el éxito de los cefalópodos al cambiar su textura de piel, por lo que estudiamos y nos inspiramos en los músculos que permiten a los cefalópodos controlar su textura, e implementamos estas ideas en un método para controlar la forma de materiales blandos y elásticos.

La Carnegie Instituion for Science ha participado en el trabajo de desarrollo de un nuevo material con extraordinarias posibilidades, que podrían ir desde el blindaje militar hasta la ingeniería aeroespacial.

Y es que esta nueva forma de carbono es ultrafuerte, pero también es elástico y eléctricamente conductor.

Carbono vítreo

Para desarrollar este nuevo material, los investigadores de la Universidad de Yanshan y Carnegie presurizaron y calentaron una forma estructuralmente desordenada de carbono llamado carbono vítreo. Concretamente, se condujo el carbono vítreo a 250.000 veces la presión atmosférica normal y se calentó a aproximadamente 982 grados Celsius.

El carbono creado de resultas de este tratamiento queda formado por la las propiedades del grafito y el diamante, lo que da lugar a la combinación única de propiedades, tal y como explica Zhisheng Zhao, ex miembro de Carnegie y actual miembro de Yanshan:

Los materiales livianos con elasticidad fuerte y robusta como ésta son muy deseables para aplicaciones en las que el ahorro de peso es de suma importancia, incluso más que el costo de los materiales. Además, creemos que este método de síntesis podría perfeccionarse para crear otras formas extraordinarias de carbono y clases de materiales totalmente diferentes.

Dos millones de euros para producir células solares con materiales como los puntos cuánticos coloidales y las perovskitas de haluro han sido invertidos por parte de la Universidad Jaume I de Castellón (UJI) ha obtenido la primera Consolidator Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC) .

El profesor de Física Aplicada Iván Mora Seró, también investigador del Instituto Universitario de Materiales Avanzados (INAM), ha ganado la subvención europea para desarrollar este proyecto, como podéis ver en el siguiente vídeo.

Nuevos materiales

El objetivo de este impulso es mejorar la eficiencia de las células solares mediante la interacción sinérgica de materiales diversos para superar las limitaciones de la conversión fotovoltaica actual.

Las perovskitas se consideran un material maravilla que ha revolucionado el campo fotovoltaico. El nombre “perovskita” se puso en honor del mineralogista ruso L. A. Perovski y fue identificada por primera vez por Gustav Rose en 1839.

Por su parte, las celdas solares de unión múltiple hechas de puntos cuánticos coloidales han alcanzado una eficiencia de conversión energética del 7 por ciento en pruebas de laboratorio. La técnica de procesamiento para las capas de puntos cuánticos permite que los puntos hagan su trabajo tanto individualmente como en grupo para transportar carga eléctrica hacia los bordes de la lámina donde puede ser recolectada para proveer una corriente eléctrica.

La estructura física más estrechamente anudada jamás conocida ha sido concebida por un grupo de investigadores de la Universidad de Manchester, lo que trae aparejado el potencial de crear una nueva generación de materiales avanzados.

El nudo tiene ocho cruces en un lazo cerrado de 192 átomos, que tiene cerca de 20 nanómetros de largo (es decir 20 millónesimas de un milímetro).

¿Par qué puede servir un nudo molecular?

Esta manera de trenzar múltiples hebras moleculares permitiendo nudos más estrechos y más complejos de lo que se ha hecho antes ha sido ideada por los nvestigadores, dirigidos por el profesor David Leigh en la Escuela de Química de Manchester.

Lo que abre la puerte para investigar cómo el nudo afecta la fuerza y la elasticidad de los materiales, lo que les permitirá tejer hilos de polímero para generar nuevos tipos de materiales, como señala el propio Leigh:

Atar nudos es un proceso similar al tejido, por lo que las técnicas que se están desarrollando para atar nudos en moléculas también deben ser aplicables al tejido de hebras moleculares. Por ejemplo, los chalecos a prueba de balas y la armaduras están hechos de kevlar, un plástico que consta de varillas moleculares rígidas alineadas en una estructura paralela. Sin embargo, las hebras de polímero entretejidas tienen el potencial de crear materiales mucho más resistentes, de la misma manera que los hilos de tejer hacen posible en nuestro mundo cotidiano.

La técnica empleada para elaborar este nudo se denomina autoensamblaje, en la que los hilos moleculares se tejen alrededor de los iones metálicos, formando puntos de cruce en los lugares correctos al igual que en el tejido. Los extremos de los hilos fueron entonces fusionados juntos por un catalizador quimico para cerrar el bucle y formar el nudo completo.

Algunos polímeros, como la seda de araña, pueden ser dos veces más fuertes que el acero, por lo que trenzar las hebras de polímero puede conducir a nuevas generaciones de materiales ligeros, súper resistentes y flexibles para la fabricación y la construcción.

El descubrimiento de la investigación ha sido publicado en la revista Science.