Un compresor zumba, un sistema de aire acondicionado traquetea, el chasis de un vagón de ferrocarril traquetea, enviando reverberaciones a través de sus pasajeros.Las vibraciones no sólo son molestas sino que también pueden resultar perjudiciales.A largo plazo, pueden destruir materiales y máquinas y acortar su vida útil.Además, el ruido generado por las vibraciones es perjudicial para la salud y el bienestar humanos.

Para mitigar las vibraciones y el ruido, los ingenieros utilizan en muchas aplicaciones técnicas materiales amortiguadores como espumas, caucho y elementos mecánicos en forma de resortes o amortiguadores.Sin embargo, esto a menudo hace que estas aplicaciones sean más voluminosas, pesadas y caras.Además, no siempre es posible suprimir eficazmente las vibraciones mediante elementos de amortiguación equipados posteriormente.

Ésta es la razón de la gran demanda mundial de materiales que sean rígidos, resistentes y con capacidades de amortiguación interna efectivas.Sin embargo, crear un material de este tipo no es fácil, ya que las dos propiedades suelen ser mutuamente excluyentes.

Los investigadores de materiales ETH han desarrollado un material que combina estas propiedades supuestamente incompatibles.Ioanna Tsimouri logró esta hazaña en su tesis doctoral con la ayuda de Andrei Gusev y Walter Caseri, ambos profesores del Departamento de Materiales.

Su trabajo ha dado lugar a la creación de materiales que comprenden capas de materiales rígidos conectados por capas ultrafinas similares al caucho formadas mediante la reticulación de una mezcla de polidimetilsiloxano (PDMS).

Los primeros prototipos implicaron el uso de silicio yplacas de vidrioque tienen entre 0,2 y 0,3 mm de espesor conectados por capas similares al caucho con un espesor de unos pocos cientos de nanómetros.Diversas pruebas han demostrado que estos nuevos materiales compuestos tienen efectivamente las propiedades que esperaban los investigadores.

Los investigadores patentaron su invento a principios del verano de este año y ahorapublicadoeso en el diarioCompuestos Parte B: Ingeniería.

Derivado teóricamente

En colaboración con el físico de materiales Gusev, el investigador calculó por primera vez mediante modelos informáticos el grosor que debían tener las capas de caucho unidas para conseguir al mismo tiempo una elevada rigidez y amortiguación del material compuesto.

Estos cálculos revelaron que el espesor de la capa tenía que tener una proporción específica para mostrar las propiedades deseadas del material.Según los cálculos, las capas de polímero amortiguador deben representar menos del 1% del volumen total del material, mientras que las capas rígidas de vidrio o silicio deben representar al menos el 99%."Hay muy poco efecto amortiguador si elcapa de polímeroes demasiado delgado.Si es demasiado grueso, el material no es lo suficientemente rígido", explica Tsimouri.

Implementado en el laboratorio.

En el siguiente paso, ella y Caseri verificaron los cálculos experimentalmente y produjeron varias variantes del material compuesto en el laboratorio.

El material que Tsimouri utilizó para las capas rígidas incluía vidrio del tipo utilizado en los teléfonos inteligentes.El polímero se obtiene utilizando una mezcla de polímeros basados ​​en PDMS disponibles comercialmente que contienen sitios químicamente reactivos.Cuando se agrega un catalizador, estos sitios se combinan para formar unred polimérica, es decir, un polímero similar al caucho que une las placas rígidas como una junta de dos componentes.

Con la ayuda del asociado británico Peter Hine, el investigador de materiales probó las propiedades mecánicas de los materiales estratificados (laminados) en función de la frecuencia y la temperatura mediante una prueba de flexión en tres puntos.

También realizó una prueba práctica sencilla pero significativa: dejó caer las placas laminadas desde una altura de 25 centímetros sobre una mesa y comparó la amortiguación acústica y mecánica con la de una placa del mismo tamaño hecha de vidrio puro.

El laminado reveló excelentes propiedades de amortiguación, pero también estabilidad.Tuvo un impacto mucho más silencioso sobre la mesa y no rebotó.El vaso puro, en cambio, golpeó con fuerza la mesa, rebotó y se volcó."Con esta prueba pude demostrar que el laminado amortigua perfectamente las vibraciones y el ruido", afirma Tsimouri.

Exámenes que requieren mucho tiempo

"Después de encontrar una mezcla de polímeros PDMS que da como resultado un polímero similar al caucho con un rendimiento de amortiguación mejorado en un amplio rango de temperaturas, la siguiente mayor dificultad fue crear la capa similar al caucho en el espesor deseado", dice.

Debido a que los polímeros reaccionan rápidamente después de la adición del catalizador, tuvo que desarrollar un proceso especial para aplicar las soluciones a los discos de vidrio o silicio.También pasó mucho tiempo comprobando el grosor de las capas.Para ello tuvo que crear secciones transversales del laminado y examinarlas con un microscopio electrónico de barrido."Esto llevó mucho tiempo", recuerda.

Según los investigadores, el laminado podría usarse en muchas aplicaciones, desde vidrios de ventanas y carcasas de máquinas hasta piezas de automóviles.Podría encontrar aplicación en la tecnología aeroespacial y de sensores, donde los materiales de amortiguación avanzados tienen una gran demanda."El mercado mundial de materiales amortiguadores es enorme", subrayan los investigadores.

El laminado tiene otra ventaja: el polímero utilizado es resistente a la temperatura y puede soportar un amplio rango de temperaturas sin que se modifiquen sus propiedades de amortiguación.El polímero sólo se vuelve vítreo y pierde su capacidad de amortiguación por debajo de una temperatura de -125°C.

En última instancia, un laminado de este tipo también sería sostenible y conservaría los recursos.El vidrio y el silicio se pueden reciclar fácilmente.Cuando se derrite, las pequeñas cantidades depolímerose descompondría envasoy no afectar el proceso de reciclaje.

Caseri cree que la tecnología es fácilmente escalable."Los fabricantes, con las máquinas adecuadas, también pueden producir el laminado en paneles de varios metros cuadrados. El proceso de fabricación no es tan complicado".

Más información:Ioana Ch.Tsimouri et al, Compuestos livianos de silicio y vidrio con capas intermedias viscoelásticas submicrónicas y combinaciones no convencionales de rigidez y amortiguación,Compuestos Parte B: Ingeniería(2024).DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111717