Presenta alta resistencia a la compresión, rigidez y comportamiento auxético, lo que le permite contraerse en lugar de expandirse bajo presión.
Esponja marina inspira un material superresistente y sostenible
Inspirados en la estructura de una humilde esponja marina de aguas profundas, ingenieros de la Universidad RMIT han desarrollado un nuevo material con extraordinaria resistencia a la compresión y rigidez. Esta innovación podría revolucionar el diseño arquitectónico y de productos, ofreciendo alternativas más eficientes y sostenibles para diversas industrias.
Biomimética aplicada a materiales de alto rendimiento
El diseño en doble celosía se basa en la intrincada estructura del esqueleto de la esponja Venus’ flower basket (Euplectella aspergillum), que habita en el Océano Pacífico. Según el estudio liderado por el Dr. Jiaming Ma, la optimización del patrón de esta esponja permitió descubrir su impresionante combinación de rigidez, resistencia y comportamiento auxético, una característica que le permite contraerse bajo compresión en lugar de expandirse.
“Mientras que la mayoría de los materiales se adelgazan cuando se estiran o se expanden cuando se comprimen, los auxéticos hacen lo contrario”, explicó Ma. “Gracias a esta propiedad, pueden absorber y distribuir energía de impacto de manera eficiente, lo que los hace sumamente valiosos en aplicaciones estructurales y de protección.”
Superando las limitaciones de los materiales auxéticos convencionales
Si bien los materiales auxéticos ya se utilizan en aplicaciones médicas, como los stents vasculares, su baja rigidez y capacidad limitada de absorción de energía han restringido su uso en otras industrias. El diseño de doble celosía inspirado en la esponja marina ha logrado superar estas limitaciones, ofreciendo una estructura que mantiene su forma y supera significativamente a materiales auxéticos convencionales.
Los stents son dispositivos médicos en forma de malla o tubo que se utilizan para mantener abiertas estructuras internas del cuerpo, como arterias, vasos sanguíneos o conductos en el sistema digestivo y urinario. Se colocan mediante un procedimiento mínimamente invasivo y pueden estar hechos de metal, polímeros biodegradables o materiales con memoria de forma.
De acuerdo con los resultados publicados en Composite Structures, con la misma cantidad de material, la nueva estructura es 13 veces más rígida que los diseños auxéticos tradicionales de panal invertido. Además, es capaz de absorber 10% más de energía y soportar un rango de deformación 60% mayor.
El Dr. Ngoc San Ha destacó que estas propiedades abren un abanico de aplicaciones potenciales: “Este material bioinspirado puede revolucionar la construcción sostenible, reduciendo la cantidad de acero y cemento requeridos sin comprometer la resistencia estructural.”
Impacto ambiental y aplicaciones sostenibles
Uno de los mayores beneficios de este material es su potencial para reducir el impacto ambiental de la industria de la construcción. El acero y el cemento son responsables de aproximadamente el 8% de las emisiones globales de CO₂, por lo que cualquier reducción en su uso puede generar un impacto significativo en la lucha contra el cambio climático.
Entre las aplicaciones potenciales se incluyen:
- Construcción de edificios más sostenibles, al utilizar menos materiales sin sacrificar estabilidad estructural.
- Equipamiento de protección, como cascos y chalecos antibalas más ligeros y resistentes.
- Implantes médicos mejorados, con estructuras que se adaptan mejor a la anatomía humana.
- Absorción de energía en estructuras sísmicas, contribuyendo a la resistencia de edificios en zonas de alto riesgo.
Próximos pasos y optimización con inteligencia artificial
El equipo de RMIT ha probado la estructura mediante simulaciones informáticas y pruebas de laboratorio con modelos impresos en 3D utilizando poliuretano termoplástico. Ahora, su objetivo es desarrollar versiones en acero para integrarlas en estructuras de hormigón y tierra compactada, materiales clave en la construcción sustentable.
El Dr. Ma enfatizó que el siguiente paso es integrar el diseño con algoritmos de aprendizaje automático para perfeccionar su rendimiento y crear materiales programables con propiedades ajustables según la necesidad.
El profesor honorario Mike Xie resaltó la importancia de inspirarse en la naturaleza para desarrollar tecnologías más eficientes: “La biomimética no solo genera diseños hermosos y elegantes, sino que también nos brinda soluciones inteligentes optimizadas por millones de años de evolución.”
Este avance representa un paso crucial hacia la sostenibilidad en la ingeniería estructural, ofreciendo una alternativa innovadora y eficiente que podría transformar la manera en que se construyen edificios, equipos de protección y dispositivos médicos en el futuro.
Vía www.rmit.edu.au
Más información: ‘Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge’ is published in Composite Structures (DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118835)
