Los ingenieros del MIT ahora han encontrado una manera de fabricar un metamaterial que sea fuerte y elástico. El material base es típicamente altamente rígido y frágil, pero se imprime en patrones precisos e intrincados que forman una estructura que es fuerte y flexible. Crédito: Carlos Portela, et al.
En el diseño de metamateriales, el nombre del juego ha sido durante mucho tiempo “más fuerte es mejor”. Los metamateriales son materiales sintéticos con estructuras microscópicas que dan al material general propiedades excepcionales. Un gran enfoque ha sido diseñar metamateriales que sean más fuertes y rígidos que sus homólogos convencionales. Pero hay una compensación: el material más rígido, menos flexible es.
Los ingenieros del MIT ahora han encontrado una manera de fabricar un metamaterial que sea fuerte y elástico. El material base es típicamente altamente rígido y frágil, pero se imprime en patrones precisos e intrincados que forman una estructura que es fuerte y flexible.
El trabajo aparece en los materiales de la naturaleza.
La clave de las propiedades duales del nuevo material es una combinación de puntales microscópicos rígidos y una arquitectura tejida más suave. Esta “red doble” microscópica, que se imprime utilizando un polímero similar a plexiglás, produjo un material que podría estirarse más de cuatro veces su tamaño sin romperse por completo. En comparación, el polímero en otras formas tiene poco o ningún estiramiento y se rompe fácilmente una vez que se agrieta.
Los investigadores dicen que el nuevo diseño de doble red se puede aplicar a otros materiales, por ejemplo, para fabricar cerámica elástica, vidrio y metales. Tales materiales duros pero flexibles podrían convertirse en textiles resistentes a la lágrima, semiconductores flexibles, envases electrónicos de chips y andamios duraderos pero cumplidos para cultivar células para la reparación de tejidos.
“Estamos abriendo este nuevo territorio para metamateriales”, dice Carlos Portela, profesor asociado de desarrollo profesional de Robert N. Noyce en el MIT. “Podría imprimir un metal o cerámica de doble red, y podría obtener muchos de estos beneficios, ya que se necesitaría más energía para romperlos, y serían significativamente más estirables”.
Los coautores del MIT de Portela incluyen al primer autor James Utama Surjadi, así como a Bastien Aymon y Molly Carton.
Gel inspirado
Junto con otros grupos de investigación, Portela y sus colegas típicamente han diseñado metamateriales mediante la impresión o las redes microscópicas nanofabricantes utilizando polímeros convencionales similares al plexiglás y la cerámica. El patrón específico, o arquitectura que imprimen, puede impartir fuerza excepcional y resistencia al impacto al metamaterial resultante.
Hace varios años, Portela tenía curiosidad sobre si se podía hacer un metamaterial de un material inherentemente rígido, pero estar modelado de una manera que lo convertiría en una versión mucho más suave y elástica.
“Nos dimos cuenta de que el campo de los metamateriales realmente no ha tratado de tener un impacto en el reino de la materia blanda”, dice. “Hasta ahora, todos hemos estado buscando los materiales más rígidos y fuertes posibles”.
En cambio, buscó una forma de sintetizar metamateriales más suaves y estiradores. En lugar de imprimir puntales y armaduras microscópicas, similares a los de los metamateriales convencionales a base de red, él y su equipo hicieron una arquitectura de resortes o bobinas entrelazadas. Descubrieron que si bien el material que usaban era rígido como el plexiglás, el metamaterial tejido resultante era suave y elástico, como el caucho.
“Eran elásticos, pero demasiado suaves y cumplidos”, recuerda Portela.
Al buscar formas de aumentar su metamaterial más suave, el equipo encontró inspiración en un material completamente diferente: Hydrogel. Los hidrogeles son materiales suaves, elásticos, de forma de gelatina que están compuestas principalmente de agua y un poco de estructura de polímero. Investigadores, incluidos grupos del MIT, han ideado formas de hacer hidrogeles que sean suaves y elásticos, y también difíciles. Lo hacen combinando redes de polímeros con propiedades muy diferentes, como una red de moléculas que es naturalmente rígida, que se retiene químicamente con otra red molecular que es inherentemente suave.
Portela y sus colegas se preguntaron si un diseño de doble red podría adaptarse a los metamateriales.
“Ese fue nuestro momento ‘Ajá'”, dice Portela. “Pensamos: ¿podemos inspirarnos en estos hidrogeles para crear un metamaterial con propiedades rígidas y estacionadas similares?”
Puntal y tejido
Para su nuevo estudio, el equipo fabricó un metamaterial al combinar dos arquitecturas microscópicas. El primero es un andamio rígido de puntales y armaduras. El segundo es un patrón de bobinas que se tejen alrededor de cada puntal y truss. Ambas redes están hechas del mismo plástico acrílico y se imprimen de una vez, utilizando una técnica de impresión basada en láser de alta precisión llamada litografía de dos fotones.
Los investigadores imprimieron muestras de la nueva metamaterial inspirada en la doble red, cada una de las cuales mide el tamaño de varios micras cuadradas a varios milímetros cuadrados. Pusieron el material a través de una serie de pruebas de estrés, en la que unieron cualquier extremo de la muestra a una prensa nanomecánica especializada y midieron la fuerza que tomó para separar el material. También grabaron videos de alta resolución para observar las ubicaciones y las formas en que el material se estiraba y rasgaba a medida que se separaba.
Descubrieron que su nuevo diseño de doble red era capaz de estirarse tres veces su propia longitud, lo que también estaba 10 veces más allá en comparación con un metamaterial convencional de redes impresas con el mismo plástico acrílico. Portela dice que la resistencia elástica del nuevo material proviene de las interacciones entre los puntales rígidos del material y el tejido enrollado más desordenado a medida que el material se estresa y tira.
“Piense en esta red tejida como un desastre de espagueti enredado alrededor de una red. A medida que rompemos la red de celosía monolítica, esas piezas rotas vienen para el viaje, y ahora todos estos espagueti se enredan con las piezas de celosía”, explica Portela. “Eso promueve más enredos entre las fibras tejidas, lo que significa que tiene más fricción y más disipación de energía”.
En otras palabras, la estructura más suave en la red rígida del material adquiere más estrés gracias a múltiples nudos o enredos promovidos por los puntales agrietados. A medida que este estrés se extiende de manera desigual a través del material, es poco probable que una grieta inicial pase directamente y rasgue rápidamente el material. Además, el equipo descubrió que si introdujeron agujeros estratégicos, “defectos”, en el metamaterial, podrían disipar aún más cualquier estrés que el material sufre, lo que lo hace aún más elástico y más resistente a destrozarse.
“Se podría pensar que esto empeora el material”, dice el coautor del estudio Surjadi. “Pero vimos una vez que comenzamos a agregar defectos, duplicamos la cantidad de estiramiento que pudimos hacer y triplicamos la cantidad de energía que disipamos. Eso nos da un material rígido y resistente, lo que generalmente es una contradicción”.
El equipo ha desarrollado un marco computacional que puede ayudar a los ingenieros a estimar cómo funcionará un metamaterial dado el patrón de sus redes rígidas y elásticas. Imagine que este plan será útil para diseñar textiles y telas a prueba de lágrimas.
“También queremos probar este enfoque en materiales más frágiles, para darles multifuncionalidad”, dice Portela. “Hasta ahora hemos hablado de propiedades mecánicas, pero ¿qué pasaría si también pudiéramos hacerlos conductores o responder a la temperatura? Para eso, las dos redes podrían estar hechas de diferentes polímeros que responden a la temperatura de diferentes maneras, para que una tela pueda abrir sus poros o volverse más compatibles cuando hace calor y puede ser más rígido cuando hace frío. Eso es algo que podemos explorar ahora”.
Más información: metamateriales mecánicos inspirados en dos redes, materiales de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41563-025-02219-5
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.
Cita: el metamaterial de ingeniería logra tanto de alta resistencia como una notable flexibilidad (2025, 23 de abril) Recuperado el 23 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-metamaterial-high-strenggthable-flexibility.html
Este documento está sujeto a derechos de autor. Además de cualquier trato justo con el propósito de estudio o investigación privada, no se puede reproducir ninguna parte sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona solo para fines de información.
