Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han producido uno de los materiales más fuertes y ligeros conocidos al comprimir y fusionar escamas de grafeno, una forma bidimensional de carbono. Su densidad calculada era sólo el 5% de la densidad del acero con un aumento de diez veces en su resistencia. El trabajo correspondiente fue publicado en la revista Science Advances.
En su forma original, el grafeno se considera el más fuerte de todos los materiales conocidos, y sus estudios teóricos comenzaron a finales de los años cuarenta del siglo pasado. Este es el primer cristal bidimensional del mundo obtenido por Andrey Geim y Konstantin Novoselov en 2004 a partir de las películas de grafito más delgadas sobre un sustrato de silicio oxidado. Por este logro, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física seis años después.
Desde los inicios del grafeno, se han desarrollado métodos para su producción a escala industrial. Ya se han logrado algunos avances en esto, sin embargo, aún no ha sido posible transformarlo con éxito en una forma tridimensional efectiva: se perdieron propiedades importantes de este material excepcional y su resistencia fue varios órdenes de magnitud menor de lo previsto.
Para resolver este problema, los ingenieros del MIT se centraron en la configuración geométrica requerida del grafeno a granel. Analizaron su comportamiento hasta el nivel atómico y luego utilizaron los datos obtenidos para crear un modelo matemático y una simulación por computadora. Las conclusiones finales coincidieron exactamente con las observaciones experimentales, que inicialmente se llevaron a cabo con modelos ampliados mil veces a partir de otros materiales, impresos en una impresora 3D de alta resolución.
Según Markus Buehler, jefe de ingeniería civil y medioambiental del MIT, los materiales 2D no suelen ser muy útiles para crear objetos 3D que se puedan utilizar en la construcción de edificios. Pero el modelado informático permitió superar este problema y la geometría se convirtió en el factor determinante del éxito.
Como resultado, los investigadores pudieron crear un material poroso fuerte y estable comprimiendo y calentando pequeñas escamas de grafeno. Su estructura, que recuerda a algunos corales y diatomeas microscópicas, tiene una enorme superficie en relación al volumen. Se le conoce como giroide, una forma repetida continua con una superficie mínima periódica triple, descrita por Alan Schoen de la NASA en 1970.
"Los resultados muestran que el aspecto crucial de las nuevas formas tridimensionales tiene más que ver con su configuración geométrica inusual que con el material en sí", señaló en el MIT.
Según los ingenieros del instituto, esta geometría se puede aplicar incluso a materiales estructurales a gran escala en la construcción, como el hormigón. Y esta estructura porosa no solo proporcionará una mayor resistencia, sino también un buen aislamiento térmico gracias al aire en su interior.
“Puede utilizar grafeno real como material o aplicar la geometría que descubrimos en combinación con otros materiales, como polímeros o metales”, concluyó Markus Buehler.
