Inspirándose en el material que forma las conchas de ostras y abulones, los ingenieros de Princeton han creado un nuevo material compuesto de cemento que es 17 veces más resistente al agrietamiento que el cemento estándar y 19 veces más capaz de estirarse y deformarse sin romperse. En última instancia, los hallazgos podrían ayudar a aumentar la resistencia a las grietas de una variedad de materiales cerámicos frágiles, desde el hormigón hasta la porcelana.

«Si podemos diseñar hormigón para evitar la propagación de grietas, podemos hacerlo más fuerte, más seguro y más duradero», afirmó el investigador Shashank Gupta, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del laboratorio de Reza Moini.

En un artículo publicado el 10 de junio en la revista Materiales funcionales avanzadosUn equipo de investigación dirigido por Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, informó que alternar capas de pasta de cemento tabulada y polímero delgado puede aumentar significativamente la resistencia al agrietamiento y la capacidad de deformarse sin romperse por completo (plasticidad).

El laboratorio de Moini a menudo busca inspiración en la biología para su trabajo con materiales de construcción. En este caso, el equipo desarrolló un material compuesto inspirado en un material natural llamado nácar, o nácar, que se encuentra dentro de algunas conchas marinas. Gupta dijo que a nivel microscópico, el nácar consiste en tabletas hexagonales del mineral duro aragonita unidas con un biopolímero blando.

Las tabletas de aragonita aumentan significativamente la resistencia del nácar, mientras que el biopolímero aumenta la flexibilidad y la resistencia al agrietamiento. El mecanismo de endurecimiento implica el deslizamiento de las tabletas de aragonito bajo tensión, lo que, junto con otros mecanismos, permite que el nácar disipe la energía. Esta acción deslizante, combinada con la deflexión de las grietas y la deformación del biopolímero, permite que el nácar resista una tensión mecánica significativa mientras mantiene su integridad estructural, lo que lo hace fuerte y flexible.

«Esta sinergia entre los componentes duros y blandos es fundamental para las notables propiedades mecánicas del nácar», dijo Gupta.

El equipo de Princeton ha desarrollado compuestos innovadores a base de nácar utilizando materiales de construcción tradicionales como la pasta de cemento Portland junto con una cantidad limitada de polímero. Reemplazaron las capas de la lámina de pasta de cemento con un polímero altamente flexible, el polivinilsiloxano. Los investigadores crearon pequeñas vigas de varias capas reemplazando láminas de pasta de cemento con finas capas de polímero. Luego, estas vigas se sometieron a una prueba de flexión de tres puntos en la que cada viga se probó en flexión para evaluar la resistencia al agrietamiento (o resistencia a la fractura).

En el experimento, los investigadores fabricaron tres tipos de vigas. El primer tipo consistía en capas alternas de láminas de pasta de cemento y polímero fino. Para el segundo tipo, utilizaron un láser para grabar ranuras hexagonales en láminas de pasta de cemento. Luego, estas láminas corrugadas se apilaron con finas capas de polímeros. Un tercer tipo era similar al tercero, pero los investigadores cortaron el cemento por completo, creando tabletas separadas de forma hexagonal conectadas por una capa de polímero. Estas tabletas de pasta de cemento se asientan sobre la capa de polímero de manera muy similar a como la aragonita se asienta sobre la capa de biopolímero en nácar. Estos tres tipos se compararon con un equivalente de pasta de cemento colada sólida (monolítica) estándar.

Los experimentos revelaron que la falla de las vigas de referencia era frágil, es decir, las vigas se rompieron repentina y completamente en el punto de falla, sin ductilidad. Las vigas con capas alternas, tanto ranuradas como no ranuradas, demostraron una mayor ductilidad y resistencia al agrietamiento.

Los resultados más significativos se observaron para vigas con tabletas hexagonales completamente separadas similares al nácar. Estas vigas tenían 19 veces más flexibilidad y 17 veces más resistencia a la fractura, manteniendo casi la misma resistencia que la viga de pasta de cemento sólido.

«Nuestro enfoque bioinspirado no es simplemente imitar la microestructura de la naturaleza, sino aprender de los fundamentos y usarlos para informar la ingeniería de materiales hechos por el hombre. Uno de los mecanismos clave que hace que la cáscara de nácar sea duradera es el deslizamiento de la tableta. A nivel nanométrico, nos centramos en el mecanismo de deslizamiento de la tableta diseñando la estructura tabular incrustada de la pasta de cemento en equilibrio con las propiedades del polímero, dijo Moini. «En otras palabras, estamos diseñando deliberadamente defectos en materiales frágiles para hacerlos más fuertes. por diseño.»

Los investigadores señalaron que los hallazgos se basan en condiciones de laboratorio y que se necesitará trabajo e investigación adicionales para desarrollar métodos 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 materiales cerámicos distintos de la pasta de cemento, como el hormigón.

«Sólo estamos arañando la superficie; habrá muchas oportunidades de diseño para explorar y desarrollar las propiedades constitutivas, interfaces y aspectos geométricos de materiales duros y blandos que afectan los efectos dimensionales críticos de los materiales de construcción», dijo Moini.



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