Científicos de Brasil y de Estados Unidos producen estructuras con alta resistencia mecánica basadas en los modelos matemáticos creados por Karl Schwarz en 1880, mediante impresión en 3D
DICYT – En 1880, el matemático alemán Karl Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) ideó estructuras con geometrías complejas en las cuales las superficies son mínimas y periódicas (con patrones repetidos) y con curvatura negativa, como las de una silla de montar.
Más de 100 años después, en 1991, el físico mexicano Humberto Terrones y el químico inglés Alan Mckay postularon que la inclusión de anillos de carbono con más de seis átomos en una malla hexagonal de grafito podría dar origen a estructuras periódicas con curvatura negativa como las que Schwarz imaginó y similares a las de las zeolitas, minerales con estructura porosa y tridimensional.
Estas estructuras cristalinas esponjosas, denominadas schwarzitas por Terrones y Mckay, en homenaje al matemático alemán, podrían tener centenas de átomos y células porosas, y dar origen a materiales rígidos similares a la espuma, con características y propiedades mecánicas y electromagnéticas poco comunes. Con todo, estas estructuras existían sólo teóricamente.
Pero ahora un grupo de científicos brasileños vinculado al Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales (CECC) –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo (FAPESP)–, en colaboración con colegas de la Rice University, de Estados Unidos, logró encontrar una manera práctica de generar estos materiales a escala real.
La técnica para la construcción y los resultados de los experimentos de análisis de la resistencia de los materiales a la compresión y al impacto aparecen descritos en la revista Advanced Materials. “Logramos generar a escala macroscópica materiales que sólo existían a escala atómica”, declaró Douglas Galvão, uno de los autores del estudio, quien se desempeña como docente en el Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil.
Para obtener este material, los científicos proyectaron inicialmente –mediante algoritmos computacionales– modelos a escala atómica de estructuras porosas de dos familias distintas de schwarzitas: la primitiva y la giromana.
Los modelos moleculares de la familia primitiva contenían 48 y 192 átomos por unidad de célula respectivamente, en tanto que los modelos de la familia giromana tenían 96 y 384 átomos. Las estructuras poseían superficies mínimas periódicas, como las que Schwarz concibió originariamente.
Los datos de las cuatro estructuras moleculares se compilaron con un software de modelado computacional en modelos tridimensionales. Los modelos se imprimieron en polímero, en forma de cubos y a escala de centímetros de longitud con impresoras 3D.
“La idea consistió en desarrollar un material con propiedades exóticas como la schwarzita a escala atómica, construir un modelo a macroescala con base en éste e imprimir esa estructura a escala real con una impresora 3D para verificar si mantiene esas propiedades, como la de altísima resistencia”, explicó Galvão.