Inspirándose en la forma en que las termitas construyen sus nidos, los investigadores de Caltech han desarrollado un marco para diseñar nuevos materiales que imitan las reglas fundamentales ocultas en los patrones de crecimiento de la naturaleza.
por Ben Peltz, Instituto de Tecnología de California
Los investigadores demostraron que, utilizando estas reglas, es posible crear materiales diseñados con propiedades programables específicas.
La investigación, dirigida por Chiara Daraio, profesora G. Bradford Jones de Ingeniería Mecánica y Física Aplicada e Investigadora del Instituto de Investigación Médica Heritage, se publicó en la revista Science el 26 de agosto.
«Las termitas miden solo unos pocos milímetros de largo, pero sus nidos pueden alcanzar una altura de 4 metros, el equivalente a que un humano construya una casa de la altura del Monte Whitney en California», dice Daraio. Si miras dentro de un nido de termitas, verás una red de estructuras asimétricas e interconectadas, como el interior de una hogaza de pan o una esponja. Hecho de granos de arena , polvo, suciedad, saliva y estiércol, esta estructura desordenada e irregular parece arbitraria, pero un nido de termitas está específicamente optimizado para la estabilidad y la ventilación.
«Pensamos que al comprender cómo contribuye una termita a la fabricación del nido, podríamos definir reglas simples para diseñar materiales arquitectónicos con propiedades mecánicas únicas», dice Daraio. Los materiales diseñados son sólidos similares a la espuma o compuestos que comprenden los bloques de construcción que luego se organizan en estructuras 3D, desde la escala nanométrica hasta la micrométrica. Hasta este punto, el campo de los materiales arquitectónicos se ha centrado principalmente en las arquitecturas periódicas; tales arquitecturas contienen una celda unitaria de geometría uniforme, como un octaedro o un cubo, y luego esas celdas unitarias se repiten para formar una estructura reticular. Sin embargo, centrarse en estructuras ordenadas ha limitado las funcionalidades y el uso de materiales arquitectónicos.
“Las arquitecturas periódicas son convenientes para nosotros los ingenieros porque podemos hacer suposiciones en el análisis de sus propiedades. Sin embargo, si pensamos en las aplicaciones, no son necesariamente la opción de diseño óptima”, dice Daraio. Las estructuras desordenadas, como la de un nido de termitas, son más frecuentes en la naturaleza que las estructuras periódicas y, a menudo, muestran funcionalidades superiores, pero, hasta ahora, los ingenieros no habían descubierto una forma confiable de diseñarlas.
«La forma en que abordamos el problema por primera vez fue pensando en la cantidad limitada de recursos de una termita», dice Daraio. Cuando construye su nido, una termita no tiene un plano del diseño general del nido; solo puede tomar decisiones basadas en reglas locales. Por ejemplo, una termita puede usar granos de arena que encuentra cerca de su nido y juntar los granos siguiendo los procedimientos aprendidos de otras termitas. Un grano de arena redondo puede caber junto a una forma de media luna para una mayor estabilidad. Tales reglas básicas de adyacencia se pueden usar para describir cómo construir un nido de termitas. «Creamos un programa numérico para el diseño de materiales con reglas similares que definen cómo dos bloques de materiales diferentes pueden adherirse entre sí», dice.
Este algoritmo, que Daraio y su equipo denominan «programa de crecimiento virtual», simula el crecimiento natural de estructuras biológicas o la fabricación de nidos de termitas. En lugar de un grano de arena o una mota de polvo, el programa de crecimiento virtual utiliza geometrías de materiales únicos o bloques de construcción, así como pautas de adyacencia sobre cómo esos bloques de construcción pueden unirse entre sí. Los bloques virtuales utilizados en este trabajo inicial incluyen una forma de L, una forma de I, una forma de T y una forma de +. Además, la disponibilidad de cada bloque de construcción tiene un límite definido, en paralelo con los recursos limitados que una termita podría encontrar en la naturaleza. Usando estas restricciones, el programa crea una arquitectura en una cuadrícula y luego esas arquitecturas se pueden traducir a modelos físicos 2D o 3D.
«Nuestro objetivo es generar geometrías desordenadas con propiedades definidas por el espacio combinatorio de algunas formas esenciales, como una línea recta, una cruz o una forma de ‘L’. Estas geometrías se pueden imprimir en 3D con una variedad de diferentes materiales constitutivos dependiendo en los requisitos de las aplicaciones», dice Daraio.
Reflejando la aleatoriedad de un nido de termitas, cada geometría creada por el programa de crecimiento virtual es única. Cambiar la disponibilidad de bloques de construcción en forma de L , por ejemplo, da como resultado un nuevo conjunto de estructuras. Daraio y su equipo experimentaron con las entradas virtuales para generar más de 54 000 muestras arquitectónicas simuladas; las muestras podrían agruparse en grupos con diferentes características mecánicas que podrían determinar cómo se deforma un material, su rigidez o su densidad. Al graficar la relación entre el diseño de los bloques de construcción, la disponibilidad de recursos y las características mecánicas resultantes, Daraio y su equipo pueden analizar las reglas subyacentes de las estructuras desordenadas. Esto representa un marco completamente nuevo para el análisis y la ingeniería de materiales.
«Queremos comprender las reglas fundamentales del diseño de materiales para luego crear materiales que tengan un rendimiento superior en comparación con los que usamos actualmente en ingeniería», dice Daraio. «Por ejemplo, imaginamos la creación de materiales que sean más livianos pero también más resistentes a las fracturas o mejores para absorber impactos mecánicos y vibraciones».
El programa de crecimiento virtual explora la frontera desconocida de los materiales desordenados al emular la forma en que una termita construye su nido en lugar de replicar la configuración del nido en sí. «Esta investigación tiene como objetivo controlar el desorden en los materiales para mejorar las propiedades mecánicas y funcionales utilizando herramientas analíticas y de diseño no explotadas antes», dice Daraio.
Más información: Ke Liu et al, Reglas de crecimiento para materiales arquitectónicos irregulares con propiedades programables,
Science (2022). DOI: 10.1126/ciencia.abn1459
