Un compresor zumba, un sistema de aire acondicionado zumba, el chasis de un vagón de ferrocarril traquetea, enviando ecos a través de los pasajeros. La vibración no sólo es molesta sino que también puede ser perjudicial. A la larga, pueden destruir materiales y máquinas y acortar su vida útil. Es más, el ruido generado por las vibraciones es perjudicial para la salud y el bienestar humanos.
Para amortiguar las vibraciones y el ruido, los ingenieros utilizan materiales amortiguadores como espuma, caucho y componentes mecánicos en forma de resortes o amortiguadores en muchas aplicaciones técnicas. Esto suele hacer que estas aplicaciones sean más grandes, más pesadas y más caras. Además, no siempre es posible suprimir eficazmente las vibraciones mediante componentes de amortiguación adaptados posteriormente.
Esto ha llevado a una gran demanda a nivel mundial de materiales que sean rígidos, soporten cargas y tengan capacidades de amortiguación interna efectivas. Sin embargo, crear un material de este tipo no es fácil, ya que las dos propiedades suelen ser mutuamente excluyentes.
Los investigadores de materiales ETH han desarrollado un material que combina estas propiedades supuestamente incompatibles. Iona Simori logró esta hazaña en su tesis doctoral con la ayuda de Andrei Gusev y Walter Caseri, ambos profesores del Departamento de Física. Su trabajo condujo a la creación de materiales que consisten en capas de materiales sólidos conectados por capas ultrafinas similares al caucho formadas mediante la reticulación de una mezcla de polidimetilsiloxano (PDMS).
Los primeros prototipos implicaron el uso de placas de silicio y vidrio conectadas por una capa similar al caucho de 0,2 a 0,3 mm de espesor y que sólo tenía unos pocos cientos de nanómetros de espesor. Varios experimentos han revelado que estos nuevos materiales compuestos realmente tienen las propiedades que los investigadores esperaban.
Los investigadores patentaron su invento a principios de este verano y ahora lo publicaron en la revista. Compuestos Parte B: Ingeniería.
Derivado teóricamente
En colaboración con el físico de materiales Gusev, el investigador calculó con el primer modelo informático que las capas de caucho unidas deberían tener al mismo tiempo la alta rigidez y amortiguación de los materiales compuestos.
Estos cálculos revelaron que el espesor de la capa debe tener una proporción determinada para exhibir las propiedades deseadas del material. Según los cálculos, las capas de polímero amortiguador deben representar menos del 1 por ciento del volumen total del material, mientras que las capas rígidas de vidrio o silicio deben representar al menos el 99 por ciento. “Si la capa de polímero es demasiado fina, el efecto de amortiguación es muy pequeño. Si es demasiado gruesa, el material no es lo suficientemente rígido”, explica Tsimouri.
implementado en el laboratorio
En el siguiente paso, él y Casseri verificaron los cálculos experimentalmente y crearon diferentes formas del material compuesto en el laboratorio.
El material que Simori utilizó para las capas duras incluía el tipo de vidrio utilizado en los teléfonos inteligentes. El polímero se obtiene utilizando una mezcla de polímeros basados en PDMS disponibles comercialmente que contienen sitios químicamente reactivos. Cuando se añade un catalizador, estos sitios se combinan para formar una red polimérica, es decir, un polímero similar al caucho que conecta las placas rígidas como un sello de dos componentes.
Con la ayuda de su colega británico Peter Hine, el investigador de materiales examinó las propiedades mecánicas dependientes de la frecuencia y la temperatura de materiales estratificados (laminados) mediante pruebas de flexión en tres puntos. También realizó una prueba práctica sencilla pero significativa: dejó caer placas laminadas desde una altura de 25 cm sobre una mesa y comparó la amortiguación acústica y mecánica con placas del mismo tamaño hechas de vidrio puro.
El laminado exhibió excelentes propiedades de amortiguación, pero también estabilidad. Tuvo un efecto mucho más silencioso sobre la mesa y no rebotó. El vaso puro, por el contrario, golpeó con fuerza la mesa, rebotó y se volcó. “Con esta prueba pude demostrar que el laminado amortigua perfectamente las vibraciones y el sonido”, afirma Simori.
Según los investigadores, los laminados se pueden utilizar en muchas aplicaciones, desde cristales de ventanas y carcasas de máquinas hasta piezas de automóviles. Puede encontrar aplicaciones en la tecnología aeroespacial y de sensores, donde los materiales de amortiguación avanzados tienen una gran demanda. “El mercado mundial de materiales amortiguadores es enorme”, subrayan los investigadores.
El laminado tiene otra ventaja: el polímero utilizado es resistente a la temperatura y puede soportar un amplio rango de temperaturas sin que se modifiquen sus propiedades de amortiguación. El polímero sólo se vuelve vítreo y pierde su capacidad de amortiguación por debajo de -125°C.
En última instancia, un laminado de este tipo también será duradero y ahorrará recursos. El vidrio y la silicona se pueden reciclar fácilmente. Cuando se derrite, una pequeña cantidad del polímero se descompondrá en el vidrio y no afectará el proceso de reciclaje.
Casseri cree que la tecnología es fácilmente escalable. “Los fabricantes, con las máquinas adecuadas, pueden producir laminados en paneles de varios metros cuadrados. El proceso de fabricación no es tan complicado”.