Una muestra microscópica de la «madera metálica»
Una muestra microscópica de la «madera metálica» - Penn Engineering

Crean una madera tan fuerte como el titanio pero mucho más ligera

El nuevo material, muy poroso, podría ser utilizado para fabricar aviones o prótesis

MadridActualizado:

Desde naves espaciales, aviones y buques de guerra a piercings, prótesis o palos de golf. El titanio se emplea en múltiples aplicaciones por ser tan fuerte como el acero pero casi el doble de ligero. Sin embargo, podría ser aún mejor. Un equipo de las universidades de Pensilvania, Illinois en Urbana-Champaign y Cambridge han construido una lámina de níquel con poros a nanoescala que la hacen tan fuerte como el titanio, pero de cuatro a cinco veces más ligera.

Los investigadores lo llaman «madera metálica» porque el espacio vacío de los poros y el proceso de autoensamblaje con el que están hechos hacen que se parezca a un material natural, como la madera. Por si fuera poco, ese vacío, que alcanza el 70% de la estructura, podría rellenarse con otros materiales. Por ejemplo, uno cargado con ánodos y cátodos le permitiría realizar una doble tarea: un ala plana o una pierna protésica que también es una batería. De momento, el logro se ha conseguido en la nanoescala y el reto es poder aumentar su tamaño para poder darle un uso comercial.

Incluso los mejores metales naturales tienen defectos en su disposición atómica que limitan su fuerza. Un bloque de titanio donde cada átomo estuviera perfectamente alineado con sus vecinos sería diez veces más fuerte de lo que se puede producir actualmente. Los investigadores han estado tratando de explotar este fenómeno mediante un enfoque arquitectónico, diseñando estructuras con el control geométrico necesario para desbloquear las propiedades mecánicas que surgen en la nanoescala, donde los defectos tienen un impacto reducido.

James Pikul, profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de Penn y responsable del estudio, se ha inspirado en el mundo natural. «La razón por la que lo llamamos madera metálica no es solo por su densidad, que tiene que ver con la madera, sino su naturaleza celular», explica. «Los materiales celulares son porosos. Si observa la veta de madera, eso es lo que está viendo: partes que son gruesas y densas y están hechas para sostener la estructura, y partes que son porosas y están hechas para soportar funciones biológicas, como el transporte hacia y desde las células».

«Nuestra estructura es similar -dice-, tenemos áreas que son gruesas y densas, y otras que son porosas con espacios de aire». Los puntales en la madera metálica de los investigadores miden alrededor de 10 nanómetros de ancho, o alrededor de 100 átomos de níquel. Otros enfoques implican el uso de técnicas similares a la impresión en 3D para hacer andamios a nanoescala con una precisión de cien nanómetros, pero el proceso lento y minucioso es difícil de escalar a tamaños útiles.

«Sabemos que ser más pequeño te hace más fuerte por algún tiempo», reconoce Pikul. «Pero la gente no ha podido hacer estas estructuras con materiales fuertes que sean lo suficientemente grandes como para que puedas hacer algo útil. La mayoría de los ejemplos hechos con materiales fuertes han sido del tamaño de una pulga pequeña, pero con nuestro enfoque, podemos hacer muestras de madera metálica que son 400 veces más grandes».

Balas de cañón

El método de Pikul comienza con pequeñas esferas de plástico, de unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, suspendidas en agua. Cuando el agua se evapora lentamente, las esferas se asientan y se apilan como balas de cañón, lo que proporciona un marco ordenado y cristalino. Después, usando la galvanoplastia, la misma técnica que agrega una capa delgada de cromo a un tapacubos, los investigadores infiltran níquel. Una vez que el níquel está en su lugar, las esferas de plástico se disuelven con un disolvente, dejando una red abierta de puntales metálicos.

«Hemos fabricado láminas de esta madera metálica que son del orden de un centímetro cuadrado, o aproximadamente del tamaño del lado de un dado», señala Pikul. «Para dar una idea de la escala, hay alrededor de mil millones de puntales de níquel en una pieza de ese tamaño».

Debido a que aproximadamente el 70% del material resultante es espacio vacío, la densidad de esta madera metálica a base de níquel es extremadamente baja en relación con su resistencia. Con una densidad a la par con el agua, un ladrillo de este material flotaría.

Ahora, el reto es replicar este proceso de producción en tamaños comercialmente relevantes. A diferencia del titanio, ninguno de los materiales involucrados es particularmente raro o costoso por sí solo, pero la infraestructura necesaria para trabajar con ellos en la nanoescala es actualmente limitada. Una vez que se desarrolle esa infraestructura, habría que pasar a un nivel más grande, que se presupone más rápido y menos costoso.

¿Se abolla o se rompe?

Una vez que los investigadores pueden producir muestras de su madera metálica en tamaños más grandes, pueden comenzar a someterla a más pruebas de macroescala. Una mejor comprensión de sus propiedades de tracción, por ejemplo, es fundamental.

«No sabemos, por ejemplo, si nuestra madera metálica se abollaría como el metal o se rompería como el vidrio», dice Pikul. «Al igual que los defectos aleatorios en el titanio limitan su resistencia general, necesitamos comprender mejor cómo los defectos en los puntales de la madera metálica influyen en sus propiedades generales».

Mientras tanto, Pikul y sus colegas están explorando las formas en que otros materiales pueden integrarse en los poros de la madera metálica. «Lo interesante a largo plazo de este trabajo es que habilitamos un material que tiene las mismas propiedades de resistencia que otros también muy resistentes, pero con un espacio vacío del 70%», indica el investigador. «Y un día podrías llenar ese espacio con otras cosas, como organismos vivos o materiales que almacenan energía».