Un nuevo titanio forjado con láser va mucho más allá de lo que permite la naturaleza

Un equipo de investigadores ha desarrollado un nuevo material artificial a base de polvo de titanio que es más ligero, resistente y fuerte que otros similares. Sus creadores aseguran que un material así podría dar lugar a una nueva generación de naves espaciales, pero también traernos dispositivos médicos más duraderos y vehículos menos pesados y seguros.

Los metamateriales son materiales modificados artificialmente que ofrecen a los científicos la capacidad de modificar sus propiedades para diseñar funcionalidades específicas a demanda. Los investigadores pueden usar metales, plásticos u otros elementos para modificar su estructura a escala atómica y aprovecharse de las peculiares leyes que rigen ese microuniverso. De esta manera pueden modificar la luz y otras formas de energía que interactúan con ellos para dotarlos de propiedades nunca antes vistas.

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Sin embargo, este nuevo metamaterial descubierto por un equipo de la universidad australiana RMIT, está inspirado las propiedades naturales del nenúfar Victoria, nativo de Sudamérica. Esta enorme hoja flotante tiene una característica estructura que la hace ligera, pero lo suficientemente fuerte como para soportar el peso de un humano adulto.

Los investigadores han conseguido replicar las estructuras intrincadas y sorprendentemente fuertes del nenúfar Victoria con una aleación de titanio común. Su descubrimiento está detallado en un artículo publicado por la revista Advanced Materials.

Cómo funciona

En muchos casos, asegura el equipo, los poros de estas estructuras reticulares que se encuentran en las células de las plantas se interconectan, formando distintos canales. Sin embargo, los materiales reticulares artificiales suelen tener problemas de resistencia si no se diseñan adecuadamente.

Para conseguir fabricar el material con precisión, los investigadores utilizaron un sistema de impresión 3D llamado ‘fusión láser en lecho de polvo’. Esta técnica va construyendo una estructura capa por capa utilizando un rayo láser de alta potencia para fundir el polvo de titanio hasta conseguir una lámina solidificada.

El equipo asegura que el primer paso para conseguirlo consistió en diseñar un modelo digital del metamaterial. A continuación, este modelo se corta digitalmente en muchas capas finas utilizando una herramienta de software.

"La impresión 3D de metal cambia las reglas del juego, permitiendo a los investigadores diseñar y fabricar metales celulares ligeros y fuertes altamente innovadores", explica Jordan Noronha, uno de los autores del estudio.

Una resistencia fuera de lo común

La técnica ha permitido a los investigadores imitar las dos topologías que dotan de resistencia a los materiales naturales: los puntales huecos y las placas finas. En la mayoría de los materiales celulares, dicen, hay puntos débiles donde se concentra la tensión, sin embargo, estas dos redes entretejidas y complementarias distribuyen uniformemente la tensión a la vez que proporcionan soporte.

"Idealmente, la tensión en todos los materiales celulares debería repartirse uniformemente", explica Ma Qian, profesor del Centro de Fabricación Aditiva del RMIT. "Sin embargo, en la mayoría de las topologías, es habitual que menos de la mitad del material soporte principalmente la carga de compresión, mientras que el mayor volumen de material es estructuralmente insignificante. Este diseño multitopológico también favorece la desviación de las trayectorias de las grietas para aumentar la tenacidad", añadió. "En lugar de que las grietas se produzcan directamente a través de la celosía, como ocurre en la mayoría de los materiales celulares, en nuestra topología de celosía de puntales huecos con placas finas, los puntales y las placas trabajan juntos para desviar las grietas por un camino más largo".

Infinidad de aplicaciones prácticas

El desarrollo de este metamaterial de titanio abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones. La mayor resistencia y ligereza del metamaterial, unida a su resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas, lo convierte en un candidato ideal para la fabricación de estructuras espaciales como fuselajes, cohetes y naves espaciales, ya que es capaz de soportar cargas más pesadas que las aleaciones tradicionales. A su vez, su ligereza reduce la masa total del vehículo espacial, lo que se traduce en un mayor ahorro de combustible y un mejor rendimiento.

También tiene uso en otras aplicaciones aeronáuticas y militares. El material podría emplearse para construir fuselajes más ligeros y resistentes, lo que aumentaría la eficiencia de vuelo y reduciría las emisiones de carbono. También para fabricar misiles o drones que soporten perfectamente las altas temperaturas que sufren estas aeronaves al volar a gran velocidad o durante la reentrada a la atmósfera.

Además es biocompatible, lo que no solo permitiría la fabricación de trajes espaciales, sino también de equipos médicos que no provoquen rechazo del cuerpo humano. Pero la tecnología aún no está todavía puesta a punto para su adopción por la industria y los investigadores reconocen que todavía queda trabajo por hacer.

"Nuestra principal limitación es la exclusividad de nuestra tecnología, aunque el coste de fabricación podría ser otro problema importante", afirma Qian. "Los procesos de fabricación tradicionales no son prácticos para construir estos intrincados metamateriales metálicos y no todo el mundo tiene en su almacén una máquina láser de fusión de lecho de polvo", añadió. "Sin embargo, a medida que la tecnología se desarrolle, será más accesible, lo que permitirá a un público más amplio implementar nuestros metamateriales multitopológicos de alta resistencia en sus componentes".