Lo más ligero posible y lo más resistente posible al mismo tiempo: estos son los requisitos para los materiales ligeros modernos, como los que se utilizan en la industria aeronáutica y la industria del automóvil. Un equipo de investigación de Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) y la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH) ha desarrollado un enfoque novedoso para el diseño de materiales para materiales ligeros del futuro: soportes metálicos de tamaño nanométrico que forman redes entrelazadas en niveles jerárquicos separados que proporcionan fuerza asombrosa.

El Grupo de Investigación presenta sus resultados en el número actual de la revista. Ciencias.

Cuando se inauguró la Torre Eiffel en 1889, se consideró una maravilla artística. Su disposición impresionante y precisa de vigas de hierro grandes y pequeñas proporcionó una estabilidad extraordinaria, y fue el edificio más alto del mundo en ese momento con una posibilidad remota. El término “jerarquía” describe el enfoque de ingeniería para un conjunto abierto de paquetes más grandes compatibles con otros más pequeños. Desde hace varios años, los investigadores de la ciencia de los materiales han intentado transferir este enfoque eficaz a la microestructura interna de los materiales, por ejemplo, mediante el uso de impresoras 3D que pueden replicar estructuras de celosías geométricas a escala micrométrica.

Por ahora, espera crear un Nueva generación No se cumplen materiales de construcción muy resistentes y ligeros. Una razón: “La impresora 3D solo puede imprimir aproximadamente 10,000 paquetes como máximo, y eso llevará horas”, dice el profesor Joerg Weissmuller del Instituto de Mecánica de Materiales de HZG, coautor de la publicación actual. “Para aplicaciones prácticas, esta no es realmente una opción viable”.

Corrosión de la plata

Sin embargo, su equipo persigue un objetivo más ambicioso: si los haces pueden fortalecerse encogiéndolos a unos pocos nanómetros de diámetro, pueden proporcionar la base para un nuevo tipo de material: excepcionalmente ligero y al mismo tiempo fuerte. Sin embargo, este tipo de material debe contener billones de paquetes, superando con creces la capacidad incluso de las impresoras más avanzadas. “Es por eso que tenemos que engañar a la naturaleza para que nos fabrique este tipo de materiales, simplemente mediante la autorregulación”, explica el colega de Weissmuller, el Dr. Shan Shi, autor principal del estudio.

Para empezar, el equipo utilizó una aleación de 93% de plata y 7% de oro. Esta aleación se sumerge en ácido sulfúrico diluido, disolviendo aproximadamente la mitad de la plata. Como resultado, el material restante se reorganiza, formando una delicada red de nanohaces. Después de eso, el material se somete a un tratamiento térmico de varios cientos de grados. Esto conduce a una rugosidad de la red a un Paquetes 150 nanómetros conservando la arquitectura original “, explica Shi.

Durante el último paso, se usa un ácido para lavar el resto de la plata, dejando solo los rayos dorados con un tamaño de poro promedio de 15 nanómetros. El resultado es un material con una estructura jerárquica de dos tamaños de haz diferentes, no diferente de la Torre Eiffel. Como resultado de su estructura de red abierta, este nuevo material consta de 80 a 90% de aire, lo que le da una densidad de solo 10-20% del metal sólido.

Increíblemente ligero y sorprendentemente fuerte

Luego, el grupo de investigación probó las propiedades mecánicas de sus muestras de tamaño milimétrico. “Dada la baja densidad de este material, exhibe valores excepcionalmente altos para los principales parámetros mecánicos como la resistencia y la elasticidad”, dice Jörg Weißmüller. “Hemos eliminado mucha masa y dejado muy poca, pero el material es mucho más fuerte de lo que ha sido en el arte hasta ahora”. Dijo que esto demuestra por primera vez que el Prof. Estructura jerarquica Puede ser útil no solo para estructuras macroscópicas de celosía de ingeniería como la Torre Eiffel, sino también para materiales de celosía livianos.

El nuevo material aún no es adecuado para aplicaciones en construcción liviana; el oro es simplemente demasiado caro, demasiado pesado y demasiado blando para esto. Sin embargo, el enfoque de diseño de nuevos materiales de HZG se puede concebir para otros metales tecnológicamente más relevantes como el aluminio, el magnesio o el titanio. Los investigadores tendrán entonces que enfrentarse a otro desafío: hasta ahora, solo han podido fabricar muestras tan pequeñas como milimétricas. “Pero parece que es completamente posible fabricar alambres o incluso láminas enteras de metal con nuestro proceso”, dice Weißmüller. “En este punto, el material se volverá interesante en escenarios de la vida real, por ejemplo, en nuevos conceptos para vehículos más ligeros y, por tanto, más eficientes energéticamente”.