Inspirándose en la arquitectura de la dura capa externa del hueso humano, los ingenieros de Princeton han desarrollado un material a base de cemento 5,6 veces más resistente a los daños que los tradicionales.
El diseño bioinspirado permite al material resistir el agrietamiento y evitar el fallo repentino. Esto lo diferencia de sus homólogos convencionales, basados en cemento quebradizo.
En un artículo publicado el 10 de septiembre en la revista Advanced Materials, el equipo de investigación dirigido por Reza Moini y Shashank Gupta, demuestra que la pasta de cemento desplegada con una arquitectura en forma de tubo puede aumentar significativamente la resistencia a la propagación de grietas y mejorar la capacidad de deformación sin fallos repentinos.
Cemento inspirado en el hueso cortical humano
En los materiales de construcción frágiles que se utilizan en edificación e infraestructuras civiles, la resistencia garantiza la capacidad de soportar cargas, mientras que la tenacidad favorece la resistencia al agrietamiento y la propagación de daños en la estructura. La técnica propuesta resuelve estos problemas creando un material más resistente que los convencionales sin perder su fuerza.
Según Moini, la clave de la mejora reside en el diseño intencionado de la arquitectura interna, equilibrando las tensiones en el frente de la grieta con la respuesta mecánica global. “Utilizamos principios teóricos de la mecánica de la fractura y la mecánica estadística para mejorar las propiedades fundamentales de los materiales ‘por diseño’”, explica.
El equipo se inspiró en el hueso cortical humano, la densa capa exterior de los fémures humanos que proporciona fuerza y resiste las fracturas. El hueso cortical está formado por componentes tubulares elípticos conocidos como osteones, incrustados débilmente en una matriz orgánica. Esta arquitectura única desvía las grietas alrededor de los osteones. De este modo se evita el fallo abrupto y se aumenta la resistencia general a la propagación de grietas, explica Gupta.
Mecanismo de endurecimiento escalonado
El diseño bioinspirado del equipo incorpora tubos cilíndricos y elípticos dentro de la pasta de cemento que interactúan con las grietas en propagación. “Uno espera que el material sea menos resistente a las grietas cuando se incorporan tubos huecos”, dijo Moini. “Aprendimos que aprovechando la geometría, el tamaño, la forma y la orientación del tubo, podemos promover la interacción grieta-tubo para mejorar una propiedad sin sacrificar otra”.
El equipo descubrió que esa interacción mejorada entre grieta y tubo inicia un mecanismo de endurecimiento escalonado, en el que la grieta queda primero atrapada por el tubo y luego se retrasa su propagación, lo que provoca una disipación de energía adicional en cada interacción y paso.
“Lo que hace único a este mecanismo escalonado es que cada extensión de la grieta está controlada, lo que evita un fallo repentino y catastrófico”, explica Gupta. “En lugar de romperse de golpe, el material soporta daños progresivos, lo que lo hace mucho más resistente”.
Método para cuantificar el grado de desorden en los materiales
Además de mejorar la resistencia a la fractura, los investigadores introdujeron un nuevo método para cuantificar el grado de desorden, una magnitud importante para el diseño. Basándose en la mecánica estadística, el equipo introdujo parámetros para cuantificar el grado de desorden en los materiales arquitectónicos. Esto permitió a los investigadores crear un marco numérico que refleja el grado de desorden de la arquitectura.
Afirman que el nuevo marco proporciona una representación más precisa de las disposiciones del material, avanzando hacia un espectro que va de lo ordenado a lo aleatorio, más allá de las simples clasificaciones binarias de periódico y no periódico. Moini señaló que el estudio establece una distinción con los enfoques que confunden la irregularidad y la perturbación con el desorden estadístico, como la teselación de Voronoi y los métodos de perturbación.
“Este enfoque nos proporciona una poderosa herramienta para describir y diseñar materiales con un grado de desorden a medida”, afirma Moini. “El uso de métodos de fabricación avanzados como la fabricación aditiva puede favorecer aún más el diseño de estructuras más desordenadas y mecánicamente favorables y permitir el escalado de estos diseños tubulares para componentes de infraestructuras civiles con hormigón”.
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