Ingenieros de Princeton, inspirados por el material de las conchas de ostras, han creado un nuevo compuesto de cemento que es 17 veces más resistente a las grietas y 19 veces más capaz de estirarse y deformarse sin romperse en comparación con el cemento estándar. Estos hallazgos podrían aumentar la resistencia a las grietas de una amplia gama de materiales cerámicos frágiles, desde cemento hasta porcelana.
Innovación
Si podemos diseñar el concreto para resistir la propagación de grietas, podemos hacerlo más fuerte, seguro y duradero.
Shashank Gupta, estudiante de posgrado en el laboratorio de Reza Moini del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.
En un artículo publicado el 10 de junio en la revista Advanced Functional Materials, el equipo de investigación liderado por Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, informó que la creación de capas alternas de pasta de cemento tabulada y polímero delgado puede aumentar significativamente la resistencia a las grietas y la capacidad de deformarse sin romperse completamente (ductilidad).
Inspiración biológica
El laboratorio de Moini frecuentemente busca inspiración en la biología para su trabajo en materiales de construcción. En este caso, el equipo desarrolló un compuesto inspirado en un material natural llamado nácar, o madreperla, que se encuentra dentro de ciertas conchas. A nivel microscópico, el nácar consiste en tabletas hexagonales del mineral duro aragonito unidas por un biopolímero suave.
Las tabletas de aragonito contribuyen significativamente a la fuerza del nácar, mientras que el biopolímero añade flexibilidad y resistencia a las grietas. El mecanismo de endurecimiento implica que las tabletas de aragonito se deslizan bajo estrés, lo cual, junto con otros mecanismos, permite que el nácar disipe energía. Esta acción de deslizamiento, combinada con la deflexión de grietas y la deformación del biopolímero, permite que el nácar soporte un estrés mecánico sustancial manteniendo su integridad estructural, haciéndolo fuerte y resistente.
Desarrollo del compuesto innovador
El equipo de Princeton ha desarrollado compuestos innovadores inspirados en el nácar, utilizando materiales de construcción convencionales como la pasta de cemento Portland combinada con una cantidad limitada de polímero. Alternaron capas de hojas de pasta de cemento con un polímero altamente estirable, polivinilsiloxano. Los investigadores crearon vigas pequeñas de múltiples capas alternando hojas de pasta de cemento con capas delgadas de polímero. Estas vigas fueron sometidas a una prueba de flexión en tres puntos con una muesca para evaluar la resistencia a las grietas (o tenacidad a la fractura).
Experimentación y resultados
En el experimento, los investigadores produjeron tres tipos de vigas. El primer tipo consistía en capas alternas de hojas de pasta de cemento y polímero delgado. Para el segundo tipo, utilizaron un láser para grabar surcos hexagonales en las hojas de pasta de cemento. Estas hojas acanaladas se apilaron con capas delgadas de polímero entre ellas. El tercer tipo fue similar al segundo, pero los investigadores cortaron completamente el cemento, creando tabletas hexagonales separadas conectadas por la capa de polímero. Estas tabletas de pasta de cemento se colocaron sobre la capa de polímero de manera similar a cómo el aragonito se coloca sobre la capa de biopolímero en el nácar. Estos tres tipos se compararon con una referencia sólida de pasta de cemento monolítica.
Los experimentos revelaron que la falla de las vigas de referencia fue frágil, es decir, las vigas se rompieron súbitamente y completamente al alcanzar su punto de falla, sin ductilidad. Las vigas con capas alternas, tanto acanaladas como no acanaladas, demostraron mayor ductilidad y resistencia a las grietas.
Futuras aplicaciones
Los resultados más significativos se observaron en las vigas con tabletas hexagonales completamente separadas, similares al nácar. Estas vigas mostraron 19 veces la ductilidad y 17 veces la tenacidad a la fractura mientras mantenían casi la misma fuerza que la viga de pasta de cemento sólida.
Nuestra aproximación bio-inspirada no es simplemente imitar la microestructura de la naturaleza, sino aprender de los principios subyacentes y usarlos para informar la ingeniería de materiales fabricados por el hombre. Uno de los mecanismos clave que hace que una concha de nácar sea resistente es el deslizamiento de las tabletas a nivel nanométrico. Aquí, nos enfocamos en el mecanismo de deslizamiento de las tabletas diseñando la estructura tabulada incorporada de la pasta de cemento en equilibrio con las propiedades del polímero y la interfaz entre ellos. En otras palabras, intencionalmente diseñamos defectos en los materiales frágiles como una manera de hacerlos más fuertes por diseño.
Reza Moini
Los investigadores notaron que los hallazgos se basan en condiciones de laboratorio y que se necesitaría trabajo adicional e investigación para desarrollar las técnicas para su uso en el campo. Están trabajando para determinar si la tenacidad a la fractura y la ductilidad de las estructuras se aplican a otros materiales cerámicos más allá de la pasta de cemento, como el concreto.
Apenas estamos rascando la superficie; habrá numerosas posibilidades de diseño para explorar y diseñar las propiedades constitutivas de los materiales duros y blandos, las interfaces y los aspectos geométricos que juegan en los efectos fundamentales del tamaño en los materiales de construcción.
Reza Moini
Más información: princeton.edu
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