El equipo de investigación muestra que las schwarzitas impresas en 3D complejas resisten la presión cuando están recubiertas

Una capa de polímero delgada y flexible puede ayudar a evitar que se rompan las estructuras cerámicas con nudos, según científicos de materiales de la Universidad de Rice.

La cerámica hecha con impresoras 3D se agrietará bajo tensión como cualquier plato o cuenco. Pero cubierto con un polímero blando endurecido bajo luz ultravioleta, los mismos materiales tienen muchas más posibilidades de conservar su integridad estructural, al igual que el vidrio tratado en el parabrisas de un automóvil, es menos probable que se rompa.

Investigación en Rice’s Brown School of Engineering, que aparece en Progreso de los científicos, demuestra el concepto en schwarzites, redes complejas que solo han existido durante décadas en teoría pero que ahora se pueden producir con impresoras 3D. Con polímeros añadidos, llegan a parecerse a estructuras que se encuentran en la naturaleza como conchas y huesos que consisten en plaquetas endurecidas en una matriz de biopolímero.

Schwarzites, que lleva el nombre del científico alemán Hermann Schwarz, quien planteó la hipótesis en la década de 1880 de que las estructuras de «curvatura negativa» podrían usarse donde se necesiten materiales muy fuertes pero livianos, desde baterías hasta huesos y edificios.

Investigadores dirigidos por Rice científicos de materiales Pulickel Ajayan y Muhammad Rahman y estudiante graduado y el autor principal, Seyed Mohammad Sajadi, demostraron a través de experimentos y simulaciones que un recubrimiento de polímero con un espesor de hasta 100 micrones haría que las schwarzitas frágiles fueran hasta 4,5 veces más resistentes a las fracturas catastróficas.

Las estructuras aún pueden agrietarse bajo presión, pero no colapsarán.

«Hemos visto claramente que las estructuras sin pavimentar son muy frágiles», dijo Rahman, investigador de Rice. «Pero cuando ponemos las estructuras recubiertas bajo compresión, soportarán la carga hasta que se rompan por completo. Y, curiosamente, incluso entonces, no se rompen completamente en pedazos. Permanecen cerradas como vidrio laminado».

El equipo, formado por miembros de Hungría, Canadá e India, creó modelos informáticos de las estructuras y los imprimió con “tinta” cerámica infundida con polímeros. La cerámica se endureció sobre la marcha mediante luces ultravioleta en la impresora, luego se empapó en polímero y se endureció de nuevo.

Con las unidades de control sin revestir, los bloques complejos se sometieron luego a alta presión. Las schwarzitas de control se rompieron como se esperaba, pero el recubrimiento de polímero evitó que las grietas se extendieran a las demás, lo que permitió que las estructuras conservaran su forma.

Los investigadores también compararon las schwarzitas con cerámicas con revestimiento sólido y encontraron que las estructuras porosas eran inherentemente más fuertes.

«La arquitectura definitivamente tiene un papel», dijo Sajadi. «Hemos visto que si cubrimos un sólido estructura, el efecto del polímero no fue tan eficaz como con la schwarzita «.

Ajayan dijo que los recubrimientos actúan un poco como los materiales naturales imitan, porque el polímero impregna los defectos de la cerámica y mejora su resistencia.

Rahman dijo que varias aplicaciones estructurales podrían beneficiarse de polímero-cerámica mejorada. Su biocompatibilidad también podría eventualmente hacerlos adecuados para prótesis.

«Estoy bastante seguro de que si podemos optimizar estas estructuras topológicamente, también son muy prometedoras para su uso como bioandamios», dijo Rahman.