Potenciales aplicaciones en sistemas de energía renovable, como paneles solares más eficientes y sistemas acústicos optimizados.
Ingenieros crean estructuras tridimensionales con una hoja de papel para dirigir luz y sonido
Combinando conceptos de dos antiguas formas de arte, un equipo de ingenieros de la Universidad de Princeton ha logrado transformar una simple hoja de material en estructuras tridimensionales con flexibilidad ajustable, capaces de guiar la luz y el sonido para realizar tareas complejas. Este avance, descrito en un artículo publicado el 8 de noviembre en los Proceedings of the National Academy of Sciences, representa un hito en el desarrollo de metamateriales, aquellos que presentan propiedades únicas derivadas de su geometría y forma.
Combinación de kirigami y origami
El equipo, liderado por el profesor Glaucio Paulino, empleó técnicas de corte de papel (kirigami) y plegado (origami) para transformar una hoja plana en una superficie compleja con múltiples perforaciones, conocida matemáticamente como una superficie de alto género. Estas perforaciones y pliegues no son simples adornos, sino que responden a principios matemáticos y algoritmos diseñados para generar metamateriales con propiedades específicas.
El kirigami permitió crear superficies con gran flexibilidad estructural, mientras que el origami facilitó la transformación de estas superficies en formas tridimensionales. Según Xiangxin Dang, investigador posdoctoral y autor principal del estudio, el equilibrio entre los cortes y los pliegues es esencial, ya que genera efectos de red entre las formas conectadas por bisagras. Esto permite que las estructuras respondan a fuerzas externas, como la presión, de manera ajustable. Por ejemplo, una estructura puede ser rígida en una dirección y flexible en otra, adaptándose a diferentes aplicaciones mediante un simple cambio en su geometría.
Metamateriales: aplicaciones en acústica y óptica
Una de las propiedades más interesantes de estos metamateriales es su capacidad para introducir polaridad, es decir, guiar flujos o fuerzas en una sola dirección. Mientras que los circuitos eléctricos utilizan campos electromagnéticos para generar polaridad, estas nuevas estructuras geométricas logran el mismo efecto a través de su diseño físico. Esto abre la puerta a la creación de circuitos geométricos que pueden dirigir ondas sonoras o de luz.
El profesor Paulino destacó que estas estructuras, al estar formadas por una sola pieza, presentan ventajas significativas en términos de fabricación, como la reducción de errores y un diseño más sencillo. En el futuro, esta técnica podría ser utilizada para desarrollar semiconductores ópticos y sistemas avanzados de control de sonido.
La asimetría como clave del diseño
Una característica sorprendente de estas estructuras es la asimetría de los patrones de corte. Según Paulino, esta falta de simetría es necesaria para lograr las formas tridimensionales deseadas y generar las propiedades únicas del material. Aunque el proceso inicial implicó errores y ajustes, estos se convirtieron en oportunidades para innovar. Como señaló Paulino, «cuando tienes una idea, la mayoría de las veces no funciona, pero a veces un error puede generar algo interesante«.
Sostenibilidad y materiales inteligentes
El enfoque de este proyecto no solo es innovador desde el punto de vista técnico, sino también relevante para los defensores de la sostenibilidad. El uso de una sola hoja de material para crear estructuras multifuncionales minimiza el desperdicio y fomenta el diseño de sistemas más eficientes. Además, al guiar luz y sonido de manera precisa, estas estructuras tienen un gran potencial en tecnologías sostenibles, como el desarrollo de paneles solares más eficientes, donde la luz puede ser dirigida para maximizar la captación de energía.
Hacia el futuro de la ingeniería estructural
Este avance representa un paso hacia la creación de materiales inteligentes que combinen flexibilidad, adaptabilidad y eficiencia. En un mundo donde las tecnologías renovables y sostenibles son cada vez más necesarias, estos metamateriales podrían jugar un papel clave en el diseño de dispositivos que reduzcan el impacto ambiental y optimicen los recursos disponibles.
Al integrar principios ancestrales con matemáticas modernas, los ingenieros han demostrado que la innovación no siempre requiere de materiales complejos, sino de una perspectiva creativa para aprovechar lo que ya tenemos. Este tipo de investigaciones refleja cómo los avances en la ingeniería pueden contribuir a un futuro más sostenible y tecnológicamente avanzado. La unión entre tradición e innovación continúa ofreciendo soluciones para los retos del mañana.
Vía princeton.edu
Deja una respuesta