Inspirándose en la arquitectura de la resistente capa exterior del hueso humano, los ingenieros de Princeton han desarrollado un material a base de cemento que es 5,6 veces más resistente a los daños que sus homólogos estándar.El diseño bioinspirado permite que el material resista el agrietamiento y evite fallas repentinas, a diferencia de sus contrapartes convencionales y quebradizas a base de cemento.

en un nuevoartículoen el diarioMateriales avanzados, el equipo de investigación dirigido por Reza Moini, profesor asistente de ciencias civiles yingeniería ambientaly Shashank Gupta, doctorado de tercer año.candidato, demuestra que la pasta de cemento aplicada con una arquitectura en forma de tubo puede aumentar significativamente la resistencia a la propagación de grietas y mejorar la capacidad de deformarse sin fallas repentinas.

"Uno de los desafíos en la ingeniería de materiales de construcción frágiles es que fallan de manera abrupta y catastrófica", dijo Gupta.

En los materiales de construcción frágiles utilizados en la edificación y la infraestructura civil, la resistencia garantiza la capacidad de soportar cargas, mientras que la tenacidad respalda la resistencia al agrietamiento y la propagación del daño en la estructura.La técnica propuesta aborda esos problemas creando un material que es más resistente que sus homólogos convencionales y al mismo tiempo mantiene su resistencia.

Moini dijo que la clave de la mejora radica en el diseño intencionado de la arquitectura interna, equilibrando las tensiones en el frente de la grieta con la respuesta mecánica general.

"Utilizamos principios teóricos de la mecánica de fractura y la mecánica estadística para mejorar las propiedades fundamentales de los materiales 'por diseño'", dijo.

El equipo se inspiró en el hueso cortical humano, la densa capa exterior del fémur humano que proporciona fuerza y ​​resiste las fracturas.El hueso cortical está formado por componentes tubulares elípticos conocidos como osteonas, incrustados débilmente en una matriz orgánica.Esta arquitectura única desvía las grietas alrededor de las osteonas.Esto evita fallas abruptas y aumenta la resistencia general a la propagación de grietas, dijo Gupta.

El diseño bioinspirado del equipo incorpora tubos cilíndricos y elípticos dentro de la pasta de cemento que interactúan con la propagación de grietas.

"Se espera que el material se vuelva menos resistente al agrietamiento cuando se incorporan tubos huecos", dijo Moini."Aprendimos que aprovechando la geometría, el tamaño, la forma y la orientación del tubo, podemos promover la interacción entre el tubo y la grieta para mejorar una propiedad sin sacrificar otra".

El equipo descubrió que dicha interacción mejorada entre la grieta y el tubo inicia un mecanismo de endurecimiento gradual, en el que la grieta primero queda atrapada por el tubo y luego retrasa su propagación, lo que lleva a una disipación de energía adicional en cada interacción y paso.

"Lo que hace que este mecanismo gradual sea único es que cada extensión de grieta está controlada, lo que evita fallas repentinas y catastróficas", dijo Gupta."En lugar de romperse de golpe, el material resiste daños progresivos, lo que lo hace mucho más resistente".

A diferencia de los métodos tradicionales que fortalecen los materiales a base de cemento añadiendo fibras o plásticos, el enfoque del equipo de Princeton se basa en el diseño geométrico.Al manipular la estructura del propio material, logran mejoras significativas en la tenacidad sin necesidad de material adicional.

Además de mejorartenacidad a la fractura, los investigadores introdujeron un nuevo método para cuantificar el grado de desorden, una cantidad importante para el diseño.Residencia enmecánica estadística, el equipo introdujo parámetros para cuantificar el grado de desorden en los materiales arquitectónicos.Esto permitió a los investigadores crear un marco numérico que refleja el grado de desorden de la arquitectura.

Los investigadores dijeron que el nuevo marco proporciona una representación más precisa de la disposición del material, avanzando hacia un espectro que va del ordenado al aleatorio, más allá de las simples clasificaciones binarias de periódico y no periódico.Moini dijo que el estudio hace una distinción entre enfoques que confunden irregularidad y perturbación con trastornos estadísticos como la teselación de Voronoi y los métodos de perturbación.

"Este enfoque nos brinda una herramienta poderosa para describir y diseñar materiales con un grado de desorden personalizado", dijo Moini."El uso de métodos de fabricación avanzados, como la fabricación aditiva, puede promover aún más el diseño de estructuras más desordenadas y mecánicamente favorables y permitir la ampliación de estos diseños tubulares para componentes de infraestructura civil con hormigón".

El equipo de investigación también hadesarrollado técnicas permitiendopara lograr una gran precisión mediante la robótica y la fabricación aditiva.Aplicándolos a nuevas arquitecturas y combinaciones de materiales duros o blandos dentro de los tubos, esperan ampliar las posibilidades de aplicaciones en materiales de construcción.

"Apenas hemos comenzado a explorar las posibilidades", dijo Gupta."Hay muchas variables que investigar, como aplicar el grado de desorden al tamaño, la forma y la orientación de los tubos en el material. Estos principios podrían aplicarse a otros materiales frágiles para diseñar estructuras más resistentes a los daños".