27 de Agosto de 2021
Ciencia de materiales

Un tejido que se vuelve rígido bajo presión

La cota de malla ha servido de inspiración para diseñar un material con propiedades mecánicas variables, capaz de soportar grandes cargas y que podría usarse en la construcción de refugios o puentes temporales.

El nuevo material consta de eslabones entrelazados similares a los de la cota de malla mostrada en esta imagen y presenta posibles aplicaciones biomecánicas, militares o ingenieriles. [Alina Kuptsova/Pixabay

Un material inspirado en la cota de malla cambia sus propiedades al someterlo a presión, pasando de ser flexible a rígido. El tejido, desarrollado por Chiara Daraio y sus colaboradores del Instituto de Tecnología de California, se vuelve hasta 25 veces más rígido que en su estado original, según informa el equipo en la revista Nature.

El tejido fabricado por el grupo de investigación está formado por octaedros huecos que se entrelazan y pueden moverse unos contra otros. Sus propiedades especiales se basan en un proceso conocido como «atasco» (jamming). Cuando se aplica presión al material, los octaedros se quedan inmóviles y el tejido se comporta como si se hubiera convertido de repente en un cuerpo sólido. Ese comportamiento recuerda al de la cota de malla, que se diseñó para ofrecer una gran resistencia a las tensiones y proteger a los combatientes, pero también para ser flexible y adaptarse a su cuerpo.   

Este tipo de materiales estructurados que pueden moldearse de una forma determinada, y tornarse rígidos y de nuevo flexibles a voluntad son interesantes para muchas aplicaciones técnicas. Por ejemplo, podrían servir como material de construcción fácil de transportar con el que levantar edificaciones o puentes temporales.

Daraio y su equipo fabricaron el tejido a partir de «eslabones» tridimensionales con forma de octaedro y entrelazados con sus vecinos más próximos, y probaron dos materiales (plástico de nailon y aluminio). Los octaedros adyacentes estaban girados 90 grados entre sí y conectados en las esquinas. Para presurizar el material, lo empaquetaron en una bolsa de plástico y extrajeron el aire, de modo que la presión sobre la estructura correspondía a la diferencia entre la presión externa y la interna. Así lograron someter el material a presiones de entre 0 y 93 kilopascales para observar los cambios en sus propiedades.

Presentación del nuevo material. [Nature video]

De hecho, el «atasco» es un efecto muy conocido y habitual en los materiales granulares, e incluso en la mayonesa. Se produce, por ejemplo, cuando echamos arroz a través de un embudo. Si lo hacemos demasiado deprisa, los granos se atascan y bloquean el paso. La arena, que se endurece bajo presión, exhibe un comportamiento similar. Sin embargo, hay una diferencia fundamental entre los granos y los tejidos similares a la cota de malla: mientras los primeros solo se atascan al comprimirlos, el tejido compuesto por eslabones entrelazados también puede endurecerse en respuesta a otras tensiones, por ejemplo si lo doblamos o estiramos.

El grupo llevó a cabo simulaciones por ordenador para investigar cómo se produce el atasco a nivel de los eslabones del tejido y qué factores influyen en sus propiedades mecánicas. Además, construyeron materiales similares a partir de eslabones con otras características, como los anillos presentes en la cota de malla clásica u octaedros con otros ángulos o menos entrelazados. El equipo descubrió una propiedad común a todos esos tejidos: su rigidez bajo presión depende únicamente del número promedio de contactos entre los eslabones, sin importar la geometría exacta.

Las propiedades de estos materiales similares a la cota de malla aún podrían encerrar algunas sorpresas. El científico de materiales Laurent Orgéas, de la Universidad de los Alpes en Grenoble, señala en un comentario publicado en Nature que las mediciones del grupo de Daraio muestran indicios de comportamiento no lineal frente a la tensión mecánica. Además, los materiales estudiados hasta ahora son básicamente bidimensionales; también vale la pena investigar estructuras inspiradas en la cota de malla que se extiendan en tres dimensiones, así como otras compuestas por materiales «inteligentes», capaces de cambiar de forma en respuesta a estímulos como la corriente eléctrica o las variaciones de temperatura.

Lars Fischer

Referencia: «Structured fabrics with tunable mechanical properties». Yifan Wang et al. en Nature, vol. 596, págs. 238-243, 12 de agosto de 2021.

Más información (en inglés) en Nature y en la web del Instituto de Tecnología de California.

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