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» » Crear un material que se contrae cuando se estira

Nuevos metamateriales, que se encogen bajo la tensión y se ampliar en la compresión, pronto podrán convertirse en realidad, gracias a un trabajo teórico llevado a cabo por científicos en EE.UU.. Los investigadores dicen que estos materiales, que a primera vista parecen violar las leyes de la física, podría ser fabricados usando la tecnología disponible actualmente.

Los metamateriales son materiales sintéticos que suelen ser diseñados para obtener propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Algunos de los más conocidos tienen extrañas propiedades ópticas, como los índices de refracción negativo y se han utilizado para crear capas de invisibilidad. Últimamente, la investigación se ha centrado también en metamateriales exóticos diseñados para conseguir propiedades mecánicas. Estos responden de manera inesperada a las fuerzas aplicadas. Por ejemplo, se han producido una espuma que engorda en lugar de adelgazar cuando se estira.

Equilibrio inestable

De particular interés es la posibilidad de metamateriales de fabricación que tienen una compresibilidad negativa. Es decir se encogen bajo tensión y se expanden bajo compresión. Algunos materiales ya lo hacen, como respuesta a una rápida variable de la fuerza sinusoidal, un tiempo de retardo entre la fuerza aplicada y la deformación resultante. Sin embargo, se había asumido que era imposible crear un material que respondiera de esta forma a una fuerza constante, porque tal material tendría que existir en un equilibrio inestable.

Si tomamos una varilla de cualquier material normal y lo tensionamos, el material se estira levemente y ejerce una fuerza de restauración para equilibrar la tensión. El resultado es un nuevo estado de equilibrio. Del igual modo, si se aplica la compresión, se acorta, y ejerce una fuerza de recuperación para alcanzar el equilibrio. Sin embargo, si se aplica una tensión a un material con "compresibilidad negativa", ante una ligera reducción el material responde aumentando la tensión, lo que provoca que se contraiga aún más. La consecuencia lógica es que una ligera tensión aplicada podría causar que el material colapse, y que una ligera presión aplicada podría causar que explotara. Un material así, está claro que no podría existir.

Sin embargo, ahora, Nicolaou Zacarías y Adilson Motter, de la Northwestern University han descubierto ese espacio de flexibilidad en el que dicho material pudiera existir. Si bien reconocen la imposibilidad de un material con una compresibilidad negativa continua, ellos creen que sería posible fabricar materiales con una compresibilidad negativa en un momento determinado, lo que permitiría a los cinturones de seguridad incrementar de pronto la tensión en el caso de un accidente de coche, por ejemplo. El truco es diseñar un material con dos configuraciones estructurales metaestables, una más compacta que la otra. La respuesta deseada podría ocurrir si el material saltara al estado más compacto en caso que la tensión aumentase más allá de un valor determinado. A pesar de estos requisitos extraños, los investigadores han hecho simulaciones de dinámica molecular para establecer que tales materiales son de hecho físicamente posibles.

En paralelo con el tráfico

Motter es un experto en la física de sistemas complejos y redes, y establece un paralelismo con la conocida +paradoja de la gestión de tráfico++, la eliminación de la ruta intermedia, realmente, puede reducir la congestión mediante la distribución del tráfico de forma más uniforme en torno a las demás calles, cambiando el patrón de tráfico de uno en "serie" a uno "paralelo". "Esto es análogo al sistema que estamos estudiando", explica Motter, "en la medida en que los constituyentes de la materia se componen de cuatro partículas. Cuando se aplica la tensión, esto origina que las partículas internas se separen unas de otras, es como romper sus enlaces. Esto hace que las partículas exteriores se atraigan más fuerte la una a la otra, básicamente, al pasar de una configuración en serie a una en paralelo. Esto hace que el material se contraiga."

Esa es la teoría, pero Motter es optimista de que pueda hacerse realidad. "El enfoque más sencillo sería utilizar los elementos que tienen un comportamiento similar, como el caucho", dice. "Dependiendo de cómo se ensamblan las piezas pequeñas de goma, se podría obtener un material que se comporte como aquí estamos proponiendo."

"Aplicaciones interesantes"

Nanocientífico Sheng Ping, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, cuyo grupo de investigación ha desarrollado materiales que muestran una compresibilidad negativa en respuesta a las fuerzas sinusoidales, dice: "Lo novedoso de este trabajo es que propone la compresibilidad negativa en la frecuencia cero, es decir, con una fuerza constante. Tal sistema podría ser estable porque implicaría energía almacenada."

Y concluye: "Yo estaría interesado en ver una realización física de lo que se ha propuesto. Esto puede tener algunas aplicaciones, sin duda, interesantes."


- Referencia: PhysicsWorld.com, 24 mayo 2012, por Tim Wogan
- Fuente publicada en Nature Materials .

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Editor del blog Pedro Donaire

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