Una microrejilla metálica es un material metálico poroso sintético que consta de una espuma metálica ultraligera . Con una densidad tan baja como 0,99 mg / cm 3 (0,00561 lb / pie 3 ), es uno de los materiales estructurales más ligeros conocidos por la ciencia. [1] Fue desarrollado por un equipo de científicos de California -basado Laboratorios HRL , en colaboración con investigadores de la Universidad de California, Irvine y Caltech , y fue anunciado por primera vez en noviembre de 2011. Las muestras prototipo se hicieron a partir de un níquel - fósforo de aleación . [2]En 2012, Popular Mechanics declaró el prototipo de microrejilla como una de las 10 innovaciones que cambian el mundo . [3] La tecnología de microredes metálicas tiene numerosas aplicaciones potenciales en la ingeniería aeronáutica y automotriz . [4] Un estudio de revisión comparativo detallado entre otros tipos de estructuras de celosía metálica mostró que son beneficiosas para propósitos de peso ligero pero costosas de fabricar. [5]
Síntesis
Para producir su microrejilla metálica, el equipo de HRL / UCI / Caltech primero preparó una plantilla de polímero utilizando una técnica basada en la formación de guías de ondas autopropagantes , [6] [7] aunque se observó que se pueden utilizar otros métodos para fabricar la plantilla. [8] El proceso hizo pasar luz ultravioleta a través de una máscara perforada a un depósito de resina curable con luz ultravioleta . El "auto-atrapamiento" de la luz similar a una fibra óptica ocurrió cuando la resina se curó debajo de cada orificio de la máscara, formando una delgada fibra de polímero a lo largo del camino de la luz. Mediante el uso de múltiples haces de luz, múltiples fibras podrían interconectarse para formar una red.
El proceso era similar a la fotolitografía en el sentido de que utilizaba una máscara bidimensional para definir la estructura de la plantilla inicial, pero difería en la velocidad de formación: donde la estereolitografía podía tardar horas en hacer una estructura completa, el proceso de guía de ondas de autoformación permitía que las plantillas se formaran formarse en 10 a 100 segundos. De esta manera, el proceso permite que se formen grandes materiales de celosía 3D independientes de forma rápida y escalable. A continuación, la plantilla se revistió con una fina capa de metal mediante niquelado no electrolítico , y la plantilla se grabó, dejando una estructura metálica porosa periódica independiente . En el informe original se utilizó níquel como metal de microredes. Debido al proceso de electrodeposición, el 7% del material estaba constituido por átomos de fósforo disueltos y no contenía precipitados . [8]
Propiedades
Una microrejilla metálica está compuesta por una red de puntales huecos interconectados. En la muestra de microredes menos densa reportada, cada puntal tiene aproximadamente 100 micrómetros de diámetro, con una pared de 100 nanómetros de espesor. La estructura completa es aproximadamente 99,99% de aire por volumen, [2] y por convención, la masa de aire se excluye cuando se calcula la densidad de la microred. [8] Teniendo en cuenta la masa del aire intersticial, la densidad real de la estructura es de aproximadamente 2,1 mg / cm 3 (2,1 kg / m 3 ), que es sólo aproximadamente 1,76 veces la densidad del aire a 25 ° C. El material se describe como 100 veces más ligero que la espuma de poliestireno . [9]
Las microrredes metálicas se caracterizan por tener densidades muy bajas, siendo el récord de 2011 de 0,9 mg / cm 3 uno de los valores más bajos de cualquier sólido conocido. El récord anterior de 1,0 mg / cm 3 lo tenían los aerogeles de sílice , y se afirma que el aerografito tiene una densidad de 0,2 mg / cm 3 . [10] Mecánicamente, estas microrredes tienen un comportamiento similar a los elastómeros y recuperan casi por completo su forma después de una compresión significativa. [11] Esto les da una ventaja significativa sobre los aerogeles anteriores, que son sustancias frágiles parecidas al vidrio. Esta propiedad elastomérica en microredes metálicas además da como resultado una absorción de impactos eficiente. Su módulo de Young E exhibe diferentes escalas, con la densidad ρ, E ~ ρ 2 , en comparación con E ~ ρ 3 en aerogeles y espumas de nanotubos de carbono . [8]
Aplicaciones
La microrejilla metálica puede encontrar aplicaciones potenciales como aislantes térmicos y de vibración, como amortiguadores , y también puede resultar útil como electrodos de batería y soportes de catalizador. [8] Además, la capacidad de las microredes para volver a su estado original después de ser comprimidas puede hacerlas adecuadas para su uso en dispositivos de almacenamiento de energía similares a resortes. [2] Fabricantes de automóviles y aeronáuticos [ ¿cuáles? ] están utilizando tecnología de microredes para desarrollar estructuras extremadamente ligeras y eficientes que combinan múltiples funciones, como el refuerzo estructural y la transferencia de calor, en componentes individuales para vehículos de alto rendimiento. [4]
Materiales similares
Un material similar pero más denso, que consiste en una capa de níquel nanocristalino electrodepositada sobre una armadura polimérica de prototipo rápido , fue creado por investigadores de la Universidad de Toronto en 2008. [12] En 2012, investigadores alemanes crearon una espuma de carbono conocida como aerografito , con una densidad incluso más baja que una microred metálica. [13] En 2013, los científicos chinos desarrollaron un aerogel a base de carbono que se decía que era aún más ligero. [1]
Las nano - redes, como las nanoestructuras basadas en tubos, son estructuras similares en una escala más pequeña.
Referencias
- ^ a b "En imágenes: material ultraligero" . BBC. 9 de abril de 2013 . Consultado el 1 de julio de 2013 .
- ^ a b c "Microlattice metálica 'estructura más ligera jamás ' " . Mundo de la química. 17 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 21 de noviembre de 2011 . Consultado el 21 de noviembre de 2011 .
- ^ Sterling, Robert (29 de octubre de 2012). "El material más ligero del mundo" . Boeing. Archivado desde el original el 2 de noviembre de 2012 . Consultado el 2 de noviembre de 2012 .
- ^ a b "MICROLATTICE: CÓMO LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS REVOLUCIONARIAS BENEFICIAN A LOS FABRICANTES GLOBALES" . Institución de Ingenieros Mecánicos . 28 de febrero de 2013. Archivado desde el original el 25 de febrero de 2015 . Consultado el 25 de febrero de 2015 .
- ^ Rashed, MG; Ashraf, Mahmud; Minas, RAW; Hazell, Paul J. (2016). "Materiales de microredes metálicas: un estado del arte actual en fabricación, propiedades mecánicas y aplicaciones". Materiales y Diseño . 95 : 518-533. doi : 10.1016 / j.matdes.2016.01.146 .
- ^ Jacobsen, AJ; Barvosa-Carter, WB; Nutt, S. (2007). "Estructuras de celosía de microescala formadas a partir de guías de ondas de fotopolímero autopropagantes". Materiales avanzados . 19 (22): 3892–3896. doi : 10.1002 / adma.200700797 .
- ^ Patente estadounidense 7382959 , Alan J. Jacobsen, "Microestructuras poliméricas tridimensionales orientadas ópticamente", asignada a HRL Laboratories, LLC.
- ^ a b c d e Schaedler, TA; Jacobsen, AJ; Torrents, A .; Sorensen, AE; Lian, J .; Greer, JR; Valdevit, L .; Carter, WB (12 de octubre de 2011). "Microredes Metálicas Ultraligeras". Ciencia . 334 (6058): 962–5. Código bibliográfico : 2011Sci ... 334..962S . doi : 10.1126 / science.1211649 . PMID 22096194 . S2CID 23893516 .
- ^ "El 'material más ligero' del mundo presentado por ingenieros estadounidenses" . Noticias de la BBC. 18 de noviembre de 2011 . Consultado el 25 de noviembre de 2011 .
- ^ "Nuevo aerografito de estrurura de nanotubos de carbono es el campeón de material más ligero" . Phys.org. 13 de julio de 2012. Consultado el 14 de julio de 2012.
- ^ Stephen Shankland (18 de noviembre de 2011). "El material innovador es apenas más que aire" . CNET . Consultado el 26 de abril de 2013 .
- ^ Gordon, LM; Bouwhuis, BA; Suralvo, M .; McCrea, JL; Palumbo, G .; Hibbard, GD (2009). "Híbridos de Ni nanocristalinos micro-truss". Acta Materialia . 57 (3): 932–939. doi : 10.1016 / j.actamat.2008.10.038 .
- ^ "Aerographit: Forscher entwickeln leichtestes Leichtgewicht" . Der Spiegel (en alemán). 11 de julio de 2012 . Consultado el 1 de julio de 2013 .
enlaces externos
- Vídeo de microredes metálicas en compresión a través de YouTube.