Un grupo de ingenieros de la Universidad de Princeton ha desarrollado un nuevo material a base de cemento que es 5.6 veces más resistente al daño que los materiales convencionales. Este avance, publicado en la revista Advanced Materials, está inspirado en la arquitectura del hueso cortical humano, que proporciona una resistencia excepcional ante fracturas y fallos súbitos. Esta innovación representa una oportunidad para mejorar la durabilidad de los materiales de construcción y su sostenibilidad, sin sacrificar la fortaleza estructural.
Materiales inspirados en el hueso humano: una innovación en la construcción sostenible
La inspiración en la arquitectura ósea
El equipo, dirigido por el profesor asistente Reza Moini y el estudiante de doctorado Shashank Gupta, se basó en la estructura del hueso cortical, la capa externa densa de los huesos largos como el fémur. Este hueso está compuesto por osteones, estructuras tubulares elípticas que ayudan a desviar las grietas, evitando fallos catastróficos.
Al replicar este diseño en una pasta de cemento con tubos cilíndricos y elípticos, los investigadores lograron que el material resista mejor la propagación de grietas, lo que aumenta su capacidad para absorber energía y evitar fallos repentinos.
Mejora de la resistencia y la dureza
Uno de los problemas comunes en los materiales de construcción frágiles, como el cemento, es que pueden fallar de manera abrupta y catastrófica. Mientras que la fortaleza garantiza la capacidad de soportar cargas, la dureza del material define su resistencia a las grietas y a la propagación del daño. El equipo de Princeton ha desarrollado una técnica que resuelve estos problemas, creando un material más duro que los convencionales sin sacrificar la fortaleza estructural.
El éxito de esta mejora radica en el diseño deliberado de la arquitectura interna del material, equilibrando las tensiones en el frente de la grieta con la respuesta mecánica global del cemento. Este enfoque se basa en principios teóricos de la mecánica de fracturas y la mecánica estadística, lo que permite mejorar las propiedades fundamentales de los materiales «mediante diseño», explicó Moini.
Un mecanismo único de endurecimiento progresivo
El diseño bioinspirado de los tubos dentro del cemento promueve la interacción entre las grietas y los tubos, desencadenando un mecanismo de endurecimiento por etapas. Este proceso implica que las grietas se quedan atrapadas en los tubos y se retrasan en su propagación, lo que lleva a una mayor disipación de energía en cada interacción.
Gupta señaló que, a diferencia de los métodos tradicionales que fortalecen los materiales mediante la adición de fibras o plásticos, este enfoque aprovecha la geometría y la orientación de los tubos. Esto no solo mejora la dureza del material, sino que también permite que este soporte daños progresivos en lugar de romperse de manera súbita y catastrófica.
Hacia un diseño más sostenible
Además de mejorar la resistencia a las fracturas, los investigadores introdujeron un nuevo método para cuantificar el grado de desorden en la arquitectura del material, utilizando parámetros de la mecánica estadística. Esto permitió crear un marco numérico que representa de manera más precisa los arreglos del material, pasando de una clasificación binaria entre ordenado y no periódico a un espectro que incluye diferentes grados de desorden.
El equipo espera que el uso de métodos avanzados de fabricación, como la manufactura aditiva, pueda promover el diseño de estructuras más desordenadas y mecánicamente favorables, lo que permitiría escalar estos diseños tubulares para su aplicación en infraestructura civil.
Futuras aplicaciones
El equipo de investigación ha desarrollado técnicas que permiten una gran precisión en el diseño de materiales utilizando robótica y manufactura aditiva. Al aplicar estas tecnologías a nuevas arquitecturas y combinaciones de materiales duros o blandos dentro de los tubos, buscan expandir las posibilidades de aplicación en materiales de construcción más resistentes al daño.
Gupta concluyó que apenas están empezando a explorar las posibilidades. Variables como el tamaño, la forma y la orientación de los tubos podrían ser ajustadas para diseñar estructuras aún más resistentes a los daños, aplicando estos principios a otros materiales frágiles para mejorar su durabilidad.
Vía princeton.edu
Jorge dice
Actualmente se dispone del.sistema de placa Prenova que tiene el.mismo principio….Consulta en PRENOVA…. prenova.colombia@gmail.com
Francisco Cisneros dice
Muy buen artículo, muy interesante, aunque hablan de unos tubos que al final no se sabe de qué se trata. Soy profesor de gerencia de construcción en un MBA en Venezuela y me gustaría poderle explicar a mis alumnos un poco más acerca de esta tecnología, por si acaso me pueden enviar algo más de información. Muchas gracias por adelantado y me parecen muy interesantes todos sus artículos.