Inspirándose en la arquitectura de la resistente capa exterior del hueso humano, los ingenieros de Princeton desarrollaron un material a base de cemento que es 5,6 veces más resistente a los daños que sus homólogos estándar. El diseño bioinspirado permite que el material resista el agrietamiento y evite fallas repentinas, a diferencia de sus contrapartes convencionales y quebradizas a base de cemento.
Un artículo de revista del 10 de septiembre. Materiales avanzadosEl equipo de investigación está dirigido por Reza Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, y Shashank Gupta, doctor de tercer año. candidato, demuestran que la pasta de cemento colocada con una arquitectura en forma de tubo puede aumentar significativamente la resistencia a la propagación de grietas y mejorar la deformabilidad sin falla repentina.
“Uno de los desafíos de la ingeniería de materiales de construcción frágiles es que fallan de manera repentina y catastrófica”, dijo Gupta.
En los materiales de construcción frágiles utilizados en edificios e infraestructura civil, la resistencia garantiza la capacidad de soportar cargas, mientras que la rigidez respalda la resistencia a las grietas y la propagación de daños en la estructura. La técnica propuesta aborda esos problemas creando un material que es más difícil que sus homólogos convencionales y al mismo tiempo mantiene su resistencia.
Moini dice que la clave para la mejora radica en el diseño intencionado de la arquitectura interna, equilibrando la tensión en el frente de la grieta con la respuesta mecánica general.
“Utilizamos los principios teóricos de la mecánica de fractura y la mecánica estadística para mejorar las propiedades fundamentales de los materiales ‘por diseño'”, dijo.
El equipo se inspiró en el hueso cortical humano, la densa capa exterior del fémur humano que proporciona fuerza y resiste las fracturas. El hueso cortical está formado por elementos tubulares elípticos conocidos como osteonas, que están incrustados de forma suelta en una matriz orgánica. Esta arquitectura única refleja las fisuras que rodean el osteon. Esto previene fallas repentinas y aumenta la resistencia general a la propagación de grietas, dijo Gupta.
El diseño bioinspirado del equipo incorpora tubos cilíndricos y elípticos en pasta de cemento que interactúan con la propagación de grietas.
“Uno esperaría que el material se volviera menos resistente al agrietamiento cuando se incluyen tubos huecos”, dijo Moini. “Aprendimos que aprovechando la geometría, el tamaño, la forma y la orientación del tubo, podemos optimizar la interacción entre el tubo y la grieta sin sacrificar una propiedad sobre la otra”.
El equipo descubrió que tal aumento de la interacción entre la grieta y el tubo inicia un proceso de endurecimiento gradual, en el que el tubo primero bloquea la grieta y luego retrasa su propagación, lo que resulta en una disipación de energía adicional en cada interacción y paso.
“Lo que hace que este proceso paso a paso sea único es que cada extensión de grieta se controla, lo que evita fallas repentinas y catastróficas”, dijo Gupta. “En lugar de romperse de golpe, el material sufre daños progresivos, lo que lo hace más resistente”.
A diferencia de los métodos tradicionales que refuerzan los materiales a base de cemento añadiendo fibras o plásticos, el enfoque del equipo de Princeton se basa en diseños geométricos. Al manipular la estructura del propio material, consiguen mejoras significativas en la resistencia sin necesidad de materiales adicionales.
Además de mejorar la tenacidad a la fractura, los investigadores introdujeron un nuevo método para medir el grado de desorden, una cantidad importante para el diseño. Basándose en la mecánica estadística, el equipo introdujo parámetros para medir el grado de desorden de los materiales arquitectónicos. Esto permite a los investigadores crear un marco numérico que refleja el grado de desorden arquitectónico.
Los investigadores dicen que la nueva estructura proporciona una representación más precisa de la disposición de los elementos, yendo más allá de la clasificación binaria habitual de periódicos y no periódicos, de ordenados a aleatorios en un espectro. Moini dice que la investigación marca la diferencia con los métodos que confunden irregularidades y confusión con trastornos estadísticos como la teselación de Voronoi y los métodos de perturbación.
“Este método nos brinda una herramienta poderosa para describir y diseñar materiales con un desorden útil”, dijo Moini. “El uso de métodos de mallado avanzados, como la fabricación aditiva, puede promover aún más el diseño de estructuras más caóticas y mecánicamente óptimas y permitir el escalamiento de estos diseños cilíndricos para componentes de infraestructura civil con hormigón”.
El equipo de investigación también ha desarrollado recientemente técnicas que permiten una mayor precisión mediante la robótica y la fabricación aditiva. Aplicándolos a nuevas arquitecturas y combinando materiales duros o blandos dentro del tubo, esperan ampliar aún más las posibilidades de aplicación en materiales de construcción.
“Recién estamos empezando a explorar las posibilidades”, dijo Gupta. “Hay muchas variables que investigar, como aplicar el grado de desorden al tamaño, la forma y la orientación del tubo del material. Estos principios se pueden aplicar a otros materiales frágiles para diseñar estructuras más resistentes a los daños”.