Los ingenieros se han inspirado en las cáscaras y las toronjas para crear lo que dicen que es el primer material no cortable fabricado.
por la Universidad de Durham
Este nuevo material, que podría usarse en las industrias de seguridad y salud, puede hacer retroceder la fuerza de una herramienta de corte sobre sí mismo.
El material liviano, llamado Proteus en honor al dios mítico que cambia de forma, está hecho de esferas de cerámica encerradas en una estructura de aluminio celular que en las pruebas no se podían cortar con amoladoras angulares, taladros o chorros de agua a alta presión.
Un equipo de investigación internacional, dirigido por la Universidad de Durham, Reino Unido, y el Instituto Fraunhofer para Máquinas Herramientas y Tecnología de Formación IWU en Chemnitz en Alemania, tuvo la idea del nuevo material de la piel celular dura de la toronja y las cáscaras de moluscos resistentes a la fractura.
Las criaturas marinas de abulón se construyen a partir de baldosas entrelazadas con un material biopolímero que las hace resistentes a las fracturas. Para resistir las herramientas de entrada forzada más violentas, los materiales orgánicos como las baldosas de aragonita, que se encuentran en las conchas de moluscos, se reemplazaron en el nuevo material con cerámica industrial de alúmina y una matriz de espuma metálica de aluminio.
El nuevo material es fuerte, ligero y no cortable. Los investigadores dicen que podría usarse para fabricar cerraduras para bicicletas, armaduras livianas y equipos de protección para personas que trabajan con herramientas de corte.
Los hallazgos se publican en la revista Scientific Reports . El nuevo sistema de materiales es dinámico con una estructura interna en evolución que crea un movimiento de alta velocidad donde interactúa con las herramientas de corte. La respuesta dinámica es más parecida a las estructuras vivas.
El material está hecho de una estructura celular de aluminio envuelta alrededor de esferas de cerámica y esto tiene un efecto doblemente destructivo en las herramientas de corte. Cuando se corta con una amoladora angular o un taladro, las vibraciones creadas por las esferas de cerámica dentro de la carcasa rompen el disco de corte o la broca.
La interacción entre el disco y la esfera de cerámica crea una conexión vibratoria entrelazada que resiste la herramienta de corte indefinidamente.
La cuchilla se erosiona gradualmente, y finalmente se vuelve ineficaz a medida que la fuerza y la energía del disco o el taladro se vuelven sobre sí mismas, y se debilita y destruye por su propio ataque.
Además, la cerámica se fragmenta en partículas finas , que llenan la estructura celular del material y se endurecen a medida que aumenta la velocidad de la herramienta de corte debido a las fuerzas interatómicas entre los granos de cerámica. De esta manera, la naturaleza adaptativa del material rechaza aún más cualquier ataque.
Los chorros de agua también resultaron ineficaces porque las superficies curvas de las esferas de cerámica ensanchan el chorro, lo que reduce sustancialmente su velocidad y debilita su capacidad de corte.
El autor principal, el Dr. Stefan Szyniszewski, Profesor Asistente de Mecánica Aplicada, en el Departamento de Ingeniería de la Universidad de Durham, dijo: «Nos intrigaba cómo la estructura celular de la toronja y la estructura embaldosada de las cáscaras de moluscos pueden prevenir daños a la fruta o las criaturas dentro, a pesar de estar hechas de bloques de construcción orgánicos relativamente débiles.
«Estas estructuras naturales informaron el principio de funcionamiento de nuestro material cerámico metálico, que se basa en la interacción dinámica con la carga aplicada, en contraste con la resistencia pasiva.
«Esencialmente cortar nuestro material es como cortar una gelatina llena de pepitas. Si atraviesas la gelatina, golpeas las pepitas y el material vibrará de tal manera que destruya el disco de corte o la broca.
«La cerámica incrustada en este material flexible también está hecha de partículas muy finas que endurecen y resisten la amoladora angular o taladran cuando se corta a la velocidad de la misma manera que una bolsa de arena resistiría y detendría una bala a alta velocidad».
«Este material podría tener muchas aplicaciones útiles y emocionantes en las industrias de seguridad y protección. De hecho, no tenemos conocimiento de ningún otro material fabricado no cortable que exista hasta ahora».
La coautora del estudio, la Dra. Miranda Anderson, Departamento de Filosofía de la Universidad de Stirling, dijo: «Debido a que la resistencia exitosa de nuestro sistema material requiere que sufra transformaciones internas, elegimos el nombre Proteus.
«En 1605, Francis Bacon comparó los materiales naturales con Proteus que ‘alguna vez cambió de forma’ y argumentó que a través de la experimentación podemos revelar las cualidades metamórficas de los materiales».
El Dr. Szyniszewski agregó: «Esto es lo que hemos logrado con este nuevo material y estamos entusiasmados con su potencial».
Los investigadores tienen una patente pendiente para su tecnología de materiales y esperan trabajar con socios de la industria para que pueda convertirse en productos para el mercado.
