Por: Dr. James Pérez Barrera
Metamateriales ¿qué son?
El ser humano, dotado de una insaciable curiosidad, suele recurrir a la naturaleza en busca de inspiración de todo tipo: los poetas observan la luna llena a través del bosque solitario para cantar sus anhelos y tristezas, y los músicos escuchan las olas y el mar para componer obras magistrales. Los científicos no son la excepción, ya que ingenieros e investigadores han recurrido incontables veces a la naturaleza en busca de inspiración para resolver problemas específicos. Y es que la naturaleza, a través de millones de años de evolución, se ha convertido en maestra en la optimización en el uso de recursos y de energía, hecho que queda evidenciado en la forma en cómo las abejas construyen sus panales basándose en patrones hexagonales, o en la manera en la cual las esponjas marinas son capaces de soportar las enormes presiones del fondo del mar, a pesar de su aparente fragilidad.
En estas dos situaciones, la forma y geometría dada por la naturaleza son la clave. En el caso de los panales de abejas, los hexágonos son formas geométricas que ofrecen varias ventajas, ya que distribuyen de manera uniforme el peso del panal, optimizan el espacio para el almacenamiento de la miel y se adaptan a la forma de las abejas. La combinación de estas ventajas, permite la fabricación de panales de más de 4 kg únicamente hechos con cera de abeja, lo cual es un logro ingenieril asombroso.
Inspirados en los panales de abeja, científicos de la NASA han diseñado el telescopio James Webb, el cual fue lanzado en 2021 y es considerado el telescopio más potente del mundo. Su diseño con espejos hexagonales le otorga la máxima superficie reflectiva para observar el universo, a la par que le permite ser “doblado” para guardarse en el cohete que lo puso en órbita. Los hexágonos y el color dorado de sus espejos recuerdan vivamente su inspiración en la naturaleza.
Figura 1. (Izquierda) Patrón hexagonal de un panal de abejas. (Derecha) Render del telescopio James Webb (Fuente: https://www.ecocolmena.org)
En el caso de las esponjas marinas, su geometría consiste en rejillas reforzadas o celosías. Si bien las celosías son elementos arquitectónicos que se emplean para el buen manejo de la luz ambiental y el confort térmico, sus propiedades para la resistencia estructural han llevado a investigadores de Harvard a proponer la geometría de la esponja “Euplectella aspergillum” (cuya relación resistencia-peso es mayor a la de un rascacielos) como un modelo de estudio para diseñar nuevas estructuras reforzadas que tengan aplicaciones en sectores como el arquitectónico o aeroespacial, abriendo con ello nuevas oportunidades de investigación y desarrollo en diversas áreas del conocimiento y sectores productivos.
Figura 2. (Izquierda) Esponja marina “Euplectella aspergillum” (Fuente: https://www.nationalgeographic.com.es). (Derecha) Sombra producida por la celosía de una casa.
En los dos ejemplos anteriores, las sobresalientes propiedades observadas en la naturaleza provienen de la estructura existente en estos organismos, es por ello que, tomando inspiración de estos y otros muchos ejemplos, los científicos e ingenieros han acuñado el término “Metamateriales” (del Griego “Meta” que significa “Más allá de”), el cual se usa para referirse a una estructura racionalmente diseñada cuyas propiedades efectivas exceden a las propiedades de los materiales que la constituyen. Por ejemplo, la cera de las abejas no podría sostener un panal de 4 kg si la estructura base de su diseño fuera otra estructura geométrica (p. ej. cuadrados), es decir, es posible “ir más allá” de la resistencia de la cera únicamente diseñando de forma racional la geometría del panal.
Desde su introducción en la década de los 60’s, los Metamateriales han mostrado un gama muy interesante de propiedades, algunas de las cuales, incluso, no se han observado en la naturaleza. Como puede intuirse, estas propiedades se alcanzan cuando las estructuras tienen cierta complejidad geométrica, lo cual, hasta hace algunas décadas, suponía un problema en su aplicación dadas las limitaciones de la manufactura convencional, ello aunado al hecho de que el software de diseño de metamateriales es costoso y no está muy difundido actualmente. Sin embargo, el resurgimiento de la manufactura aditiva hace un par de décadas y el aumento en el poder de cómputo disponible, ha permitido el diseño y fabricación de piezas con alta complejidad geométrica, entre las que se incluyen muchos tipos de estructuras metamateriales.
En la Figura 3 se muestran distintas estructuras metamateriales basadas en superficies mínimas triplemente periódicas (TPMS, por sus siglas en inglés). Todas las estructuras tienen un tamaño de 5cm por lado y fueron fabricadas en metal con la tecnología de impresión por fusión en cama de polvos (PBF, por sus siglas en inglés) en las instalaciones de CIDESI-CONMAD. Este tipo de estructuras cuentan con un compleja red de canales internos interconectados, por lo cual es imposible su fabricación mediante técnicas de manufactura convencional, pero son fácilmente fabricables mediante impresión 3D.
Figura 3. Estructuras metamateriales TPMS fabricadas en metal. (De izquierda a derecha) Estructura giroide, primitiva, IWP y diamante.
Aunque se considera que el término “Metamateriales” surgió a raíz de aplicaciones electromagnéticas, actualmente este tipo de estructuras tienen aplicaciones en sectores tan variados como dispositivos médicos, intercambiadores de calor, absorción de energía e impacto, y otras áreas activas de investigación. Por ejemplo, en recientes estudios se han integrado estructuras metamateriales en implantes médicos y andamios (scaffolds), buscando imitar las propiedades mecánicas de los huesos, fomentando el crecimiento celular, la integración osea y la vascularización, a la par que se aligeran los dispositivos, lo que últimadamente permite emplear materiales metálicos que históricamente no se han considerado por ser mucho más pesados que los huesos humanos.
Figura 4. (Izquierda) Esquema de reemplazo integración de estructuras TPMS para regeneración osea (Fuente: https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100835). (Derecha) Integración de estructuras giroides en el componente acetabular de implantes de cadera convencionales (Fuente: https://www.renishaw.es).
Los metamateriales ofrecen grandes posibilidades de desarrollo tecnológico e investigación, por eso en CIDESI contamos con líneas de investigación de estas estructuras que incluyen el desarrollo de software de diseño e integración de metamateriales, así como su aplicación en intercambiadores de calor y dispositivos médicos.
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