Desarrollan un material ultraligero que resiste impactos supersónicos

Investigadores del MIT, Caltech y ETH Zúrich han desarrollado un material ultraligero nanoarquitectónico capaz de resistir impactos de micropartículas a velocidades supersónicas, abriendo la puerta a una nueva generación de tecnologías de defensa y protección espacial.

Nuevo material ultraligero nanoarquitectónico

El material ultraligero nanoarquitectónico, caracterizado por su diseño preciso a escala nanométrica, ofrece propiedades excepcionales que desafían las limitaciones de los elementos convencionales. Utilizando puntales microscópicos de carbono, el equipo de investigadores fabricó una estructura ultraligera y resistente cuya eficacia fue puesta a prueba disparando micropartículas a velocidades superiores a la del sonido.

Sorprendentemente, el material —más delgado que un cabello humano— logró detener las partículas, demostrando una capacidad de absorción de impacto superior a la de elementos tradicionales como el acero, el kevlar y el aluminio, cuando se compara peso por peso. Según Carlos Portela, autor principal del estudio y profesor asistente en el MIT, “la misma cantidad de masa de nuestro material sería mucho más eficiente para detener un proyectil que la misma cantidad de masa de Kevlar”.

Si bien el concepto de nanoarquitectura ya había sido explorado en regímenes de deformación lenta, este estudio, publicado en Nature Materials, representa la primera validación experimental de su rendimiento bajo impactos de alta velocidad, un escenario mucho más representativo de aplicaciones reales en defensa y aeroespacial.

Cómo convertir un material frágil en un escudo resiliente

La clave de este material reside en su estructura interna. Fabricado mediante litografía de dos fotones, una técnica avanzada de impresión 3D a escala nanométrica, el elemento presenta un patrón repetitivo basado en el tetracaidecaedro, una figura geométrica que históricamente ha sido usada en espumas para absorber energía.

Esta estructura dota al material de una flexibilidad y capacidad de absorción de impacto inusuales para un compuesto de carbono, típicamente frágil. En lugar de romperse ante la presión, los puntales microscópicos se doblan y colapsan localmente al recibir un impacto, lo que permite disipar la energía y preservar la integridad general de la estructura.

Después de modelar y construir estas redes, los investigadores eliminaron la resina sobrante y calentaron el material en un horno de vacío para convertirlo en carbono sólido, obteniendo así una malla nanoestructurada de alta resistencia.

Este enfoque demuestra que, al manipular la geometría a escala nanométrica, es posible transformar elementos quebradizos en estructuras sorprendentemente tenaces, ideales para soportar condiciones extremas.

Pruebas supersónicas y un modelo inspirado en impactos planetarios

Para poner a prueba la resiliencia del material, el equipo utilizó un método innovador de impacto de micropartículas impulsadas por láser en el MIT. Con este procedimiento, lanzaron micropartículas de óxido de silicio de 14 micrómetros de ancho a velocidades de entre 40 y 1100 metros por segundo, muy por encima de la velocidad del sonido.

Los impactos fueron registrados con cámaras de alta velocidad, revelando que, en las muestras de mayor densidad, las partículas quedaban incrustadas en el material en lugar de atravesarlo. Un análisis más detallado mostró que, bajo el punto de impacto, los puntales se comprimían y colapsaban, absorbiendo la energía sin comprometer el resto de la estructura.

En un giro particularmente interesante, los investigadores aplicaron un modelo de análisis dimensional basado en el teorema de Buckingham-Π, comúnmente utilizado para estudiar impactos de meteoritos, para predecir la respuesta de su elemento. El modelo, adaptado a las propiedades específicas del nanoarquitecto de carbono, predijo correctamente los patrones de daño observados durante los experimentos.

Este éxito sugiere que los principios de la física planetaria pueden ser herramientas útiles para diseñar y evaluar nuevos materiales de protección a escala microscópica, abriendo un campo fascinante de investigación interdisciplinaria.

Un futuro más ligero y más resistente

El descubrimiento del equipo liderado por Portela y Greer marca un hito en el camino hacia la creación de materiales de blindaje más eficientes, livianos y adaptables. Aunque la fabricación a gran escala sigue siendo un desafío, los investigadores están trabajando en ampliar la producción y explorar variaciones del diseño nanoarquitectónico, así como el uso de otros materiales más allá del carbono.

La posibilidad de reemplazar materiales pesados como el acero o el kevlar por alternativas más ligeras y resistentes tendría aplicaciones que van desde chalecos antibalas ultraligeros hasta recubrimientos de naves espaciales capaces de resistir impactos de micrometeoritos.

“Los materiales nanoarquitectónicos son realmente prometedores como materiales de mitigación de impactos”, afirma Portela. “Estamos apenas comenzando a entender su potencial y a diseñar estructuras que aprovechen sus propiedades únicas”.

La ciencia de lo diminuto podría, en un futuro cercano, ser la clave para proteger tanto a soldados como a astronautas, combinando ligereza, resiliencia y eficiencia de formas que antes solo eran imaginables en la ciencia ficción.

Referencia:
Natue Materials/Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Link

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