La naturaleza inspira materiales de construcción más resistentes

Materiales de construccion inspirados en la naturaleza

Desde conchas marinas hasta cemento, la naturaleza inspira materiales de construcción más resistentes. Inspirándose en el material que forma las conchas de ostras y abulones, los ingenieros han creado un nuevo compuesto de cemento que es 17 veces más resistente a las grietas que el cemento estándar y 19 veces más capaz de estirarse y deformarse sin romperse. Los hallazgos podrían ayudar a aumentar la resistencia a las grietas de una amplia gama de materiales cerámicos frágiles, desde el hormigón hasta la porcelana.

Si podemos diseñar hormigón para resistir la propagación de grietas, podemos hacerlo más resistente, más seguro y más duradero

afirmó el investigador Shashank Gupta, estudiante de posgrado en el laboratorio de Reza Moini en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.

En un artículo publicado el 10 de junio en la revista Advanced Functional Materials, el equipo de investigación dirigido por Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, informó que la creación de capas alternas de pasta de cemento tabulada y polímero delgado puede aumentar significativamente la resistencia al agrietamiento y la capacidad de deformarse sin romperse completamente (ductilidad).

El laboratorio de Moini a menudo busca inspiración en la biología para su trabajo sobre materiales de construcción. En este caso, el equipo desarrolló un compuesto inspirado en un material natural llamado nácar, que se encuentra dentro de ciertas conchas. Gupta dijo que a nivel microscópico, el nácar consiste en tabletas hexagonales del mineral duro aragonito pegadas entre sí mediante un biopolímero blando.

Las tabletas de aragonito contribuyen significativamente a la resistencia del nácar, mientras que el biopolímero añade flexibilidad y resistencia al agrietamiento. El mecanismo de endurecimiento implica que las tabletas de aragonita se deslicen bajo tensión, lo que, junto con otros mecanismos, permite que el nácar disipe la energía. Esta acción deslizante, combinada con la desviación de la grieta y la deformación del biopolímero, permite que el nácar soporte una tensión mecánica sustancial mientras mantiene su integridad estructural, lo que lo hace fuerte y resistente.

Esta sinergia entre los componentes duros y blandos es crucial para las notables propiedades mecánicas del nácar

dijo Gupta.

El equipo de Princeton ha desarrollado compuestos innovadores inspirados en el nácar, utilizando materiales de construcción convencionales como pasta de cemento Portland combinados con una cantidad limitada de polímero. Alternaron capas de láminas de pasta de cemento con un polímero altamente estirable, el polivinilsiloxano. Los investigadores crearon pequeñas vigas de varias capas alternando láminas de pasta de cemento con finas capas de polímero. Luego, estas vigas se sometieron a una prueba de flexión de tres puntos con muescas, donde cada viga se probó bajo flexión para evaluar la resistencia al agrietamiento (o tenacidad a la fractura).

En el experimento, los investigadores produjeron tres tipos de vigas. El primer tipo consistía en capas alternas de láminas de pasta de cemento y polímero fino. Para el segundo tipo, utilizaron un láser para grabar ranuras hexagonales en las láminas de pasta de cemento. Luego, estas láminas ranuradas se apilaron con finas capas de polímero en el medio. El tercer tipo era similar al tercero, pero los investigadores cortaron el cemento por completo, creando tabletas hexagonales separadas conectadas por una capa de polímero. Estas tabletas de pasta de cemento se colocan sobre la capa de polímero de manera similar a como la aragonita se coloca sobre la capa de biopolímero en nácar. Estos tres tipos se compararon con una contraparte de pasta de cemento colada sólida (monolítica) de referencia.

Los experimentos revelaron que la falla de las vigas de referencia fue frágil, lo que significa que las vigas se rompieron repentina y completamente al alcanzar su punto de falla, sin ductilidad. Las vigas con capas alternas, tanto ranuradas como no ranuradas, demostraron mayor ductilidad y resistencia al agrietamiento.
Los resultados más significativos se observaron en las vigas con tabletas hexagonales completamente separadas, que son similares al nácar. Estas vigas exhibieron 19 veces más ductilidad y 17 veces más tenacidad a la fractura, al tiempo que conservaron casi la misma resistencia que la viga de pasta de cemento sólido.

Nuestro enfoque bioinspirado no es simplemente imitar la microestructura de la naturaleza, sino aprender de los principios subyacentes y utilizarlos para informar la ingeniería de materiales fabricados por el hombre. Uno de los mecanismos clave que hace que una cáscara nacarada sea resistente es el deslizamiento de la tableta. A nivel nanométrico, aquí nos centramos en el mecanismo de deslizamiento de la tableta diseñando la estructura tabulada incorporada de la pasta de cemento en equilibrio con las propiedades del polímero y la interfaz entre ellos

dijo Moini.

En otras palabras, diseñamos intencionalmente defectos en los materiales frágiles como una forma de hacerlos más fuertes por diseño

Los investigadores señalaron que los hallazgos se basan en condiciones de laboratorio y que se necesitaría trabajo e investigación adicionales para desarrollar las técnicas para su uso en el campo. Están trabajando para determinar si la tenacidad a la fractura y la ductilidad de las estructuras se aplican a otros materiales cerámicos además de la pasta de cemento, como el hormigón.

Sólo estamos arañando la superficie; habrá numerosas posibilidades de diseño para explorar y diseñar las propiedades constitutivas de los materiales duros y blandos, las interfaces y los aspectos geométricos que influyen en los efectos fundamentales del tamaño en los materiales de construcción

dijo Moini.

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