Una estructura metálica más ligera que el aire.

Microrred ultraligera de níquel-fósforo. Cortesía de HRL.

En las historias de ciencia ficción las naves, herramientas y armas de los extraterrestres casi siempre están hechas de un material “muy ligero, extremadamente resistente y de una estructura y composición desconocidas”. Un material que acaba de presentarse en Science hace que empecemos a plantearnos si no seremos nosotros los alienígenas.

Para empezar el material ha batido el récord mundial de menor densidad para un material estructural que hasta ahora lo poseía un aerogel con una densidad de 1 mg/cm3, inferior a la del propio aire (1,2 mg/cm3). La microrred metálica creada por el equipo encabezado por Tobias Schaedler, de los laboratorios HRL (EE.UU.), tiene una densidad de sólo 0,9 mg/cm3, aún así presenta una capacidad muy alta para absorber energía y recuperar la forma tras una compresión. Estas dos características hacen que se le pueda encontrar aplicaciones en campos diversos, desde la astronáutica y aeronáutica hasta los elementos para la absorción de impactos o la de ruidos.

La microrred consiste en una red muy ordenada y controlada de riostras huecas interconectadas, hechas de una aleación de fósforo y níquel. En la muestra prototipo las riostras tenían unas 100 μm de diámetro y las paredes un espesor de 100 nm. Debido a la importancia de la estructura en las características mecánicas, el proceso de obtención es tanto o más importante que la composición química. Y espectacular.

Para crear la estructura primero hay que crear una plantilla de polímero. Para ello se coloca un placa opaca con agujeros circulares según un patrón sobre un depósito de monómero de tiol-eno fotosensible en estado líquido. Se ilumina la placa con luz ultravioleta y donde la luz llega al monómero, éste polimeriza; la polimerización supone un cambio en el índice de refracción con respecto al monómero, por lo que conforme la polimerización avanza se va creando un túnel óptico por el que la luz se ve dirigida, como en una fibra óptica. Esto es, se forma una guía de ondas del fotopolímero autopropagada o, para visualizarlo mejor, una “fibra” dentro del depósito de monómero líquido. Eligiendo placas distintas se puede conseguir que estas fibras tengan distintas direcciones y que se intersecten, creando una red interconectada. Se elimina entonces el monómero que no ha reaccionado con un disolvente y el resultado es una estructura de microrred, en la que las guías de onda autopropagadas son los miembros estructurales de la red, las riostras.

Esta plantilla de la red se sumerge entonces en una disolución de catalizador antes de introducirla en una disolución de niquel-fósforo. La aleación de níquel-fósforo se deposita catalíticamente en la superficie de las riostras de polímero hasta un espesor de 100 nm. Una vez terminada la deposición, el polímero se elimina con hidróxido sódico, lo que deja una geometría de red idéntica pero de tubos huecos de níquel-fósforo. La estructura es tan liviana que si tomamos una unidad de volumen sólo el 0,01% estará ocupado por la aleación, de aquí la densidad tan sumamente baja.

Al igual que ocurre con las construcciones de ingeniería, las propiedades de la estructura son diferentes a la de la aleación en bruto. Ésta es muy frágil, pero cuando se comprime la microrred los tubos huecos no se parten, sino que se doblan como si fuesen pajitas de refresco, con un alto grado de elasticidad . La microrred puede comprimirse hasta la mitad de su volumen y retorna a su forma original sin daño apreciable. (Véase el vídeo).

Démonos cuenta de que el procedimiento puede aplicarse a todo compuesto que pueda depositarse formando una película, por lo que el repertorio de candidatos con los que ensayar este forma de microingeniería es amplísimo.

Entramos en el territorio inexplorado de la microingeniería estructural, cualquiera sabe hasta dónde nos llevará.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la IV Edición del Carnaval de la Tecnología que alberga Eureka y en la IX Edición del Carnaval de Química que acoge Hablando de ciencia.  

Referencia:

Schaedler, T., Jacobsen, A., Torrents, A., Sorensen, A., Lian, J., Greer, J., Valdevit, L., & Carter, W. (2011). Ultralight Metallic Microlattices Science, 334 (6058), 962-965 DOI: 10.1126/science.1211649