10.02.2020 - Tel Aviv University (TAU)

Los defectos inducidos en los metamateriales pueden producir texturas y comportamientos útiles

El descubrimiento hace avanzar la comprensión de los defectos estructurales y sus propiedades topológicas

Mientras que un pedazo de papel es generalmente plano y flexible, el mismo pedazo de papel arrugado en un fajo es rígido y redondo. Esto demuestra que el estrujamiento cambia la textura y el comportamiento del mismo material, el papel.

Un nuevo estudio de la Universidad de Tel Aviv muestra cómo los defectos inducidos en los metamateriales -materiales artificiales cuyas propiedades son diferentes de las de la naturaleza- también producen consistencias y comportamientos radicalmente diferentes. La investigación tiene aplicaciones de gran alcance: para la protección de componentes frágiles en sistemas que sufren traumas mecánicos, como los pasajeros en accidentes automovilísticos; para la protección de equipos delicados lanzados al espacio; e incluso para agarrar y manipular objetos distantes mediante un pequeño conjunto de manipulaciones localizadas, como la cirugía mínimamente invasiva.

"Ya hemos visto antes los efectos asimétricos de una imperfección topológica. Pero ahora hemos encontrado una manera de crear estas imperfecciones de forma controlada", explica el Prof. Yair Shokef de la Escuela de Ingeniería Mecánica de TAU, co-autor del nuevo estudio. "Es una nueva forma de ver los metamateriales mecánicos, tomar prestados conceptos de la física de la materia condensada y las matemáticas para estudiar la mecánica de los materiales."

La nueva investigación es fruto de la colaboración entre el Prof. Shokef y el Dr. Erdal Oğuz de TAU y el Prof. Martin van Hecke y Anne Meeussen de la Universidad de Leiden y la AMOLF en Amsterdam. El estudio fue publicado en Nature Physics. "Ya que hemos desarrollado reglas generales de diseño, cualquiera puede usar nuestras ideas", añade el Prof. Shokef.

"Nos inspiramos en las pantallas LCD que producen diferentes colores a través de diminutos y ordenados cristales líquidos", dice el Prof. Shokef. "Cuando creas un defecto, cuando, por ejemplo, presionas tu pulgar contra una pantalla, interrumpes el orden y obtienes un arco iris de colores. La imperfección mecánica cambia el funcionamiento de la pantalla. Ese fue nuestro punto de partida".

Los científicos diseñaron un complejo metamaterial mecánico utilizando la impresión tridimensional, insertaron defectos en su estructura y mostraron cómo esos defectos localizados influían en la respuesta mecánica. El material inventado era plano, hecho de piezas de rompecabezas triangulares con lados que se movían abriéndose o cerrándose. Cuando es "perfecto", el material es blando cuando se aprieta por dos lados, pero en un material imperfecto, un lado del material es blando y el otro rígido. Este efecto se invierte cuando la estructura se expande por un lado y se aprieta por el otro: las partes rígidas se vuelven blandas y las blandas rígidas.

"Eso es lo que llamamos una imperfección topológica global", explica el Prof. Shokef. "Es una irregularidad que no se puede eliminar simplemente dando vuelta localmente una pieza del rompecabezas. Específicamente, demostramos cómo podemos usar tales defectos para dirigir las fuerzas mecánicas y las deformaciones a las regiones deseadas del sistema".

La nueva investigación avanza en la comprensión de los defectos estructurales y sus propiedades topológicas en los sistemas de física de la materia condensada. También establece un puente entre los metamateriales periódicos, parecidos a los cristales, y las redes mecánicas desordenadas, que a menudo se encuentran en los biomateriales.

El equipo de investigación planea continuar su investigación en los complejos metamateriales tridimensionales, y estudiar la rica geometría de las imperfecciones allí.

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