Materiales inspirados en las nervaduras de las hojas: MIT y Northeastern diseñan estructuras que resisten mejor los golpes

Un metamaterial es un material cuyas propiedades no dependen tanto de la sustancia con la que está hecho como de su arquitectura interna: la forma en que se organizan diminutas vigas, celdas o cavidades. Con un mismo plástico, por ejemplo, se puede obtener una pieza rígida o una que absorba energía, según el diseño de su microestructura.

Hasta ahora, la mayoría de estos materiales se construía repitiendo una misma celda, como si fuera un panal o una cuadrícula. Ese orden tiene una debilidad: cuando una parte se perfora o se agrieta, las celdas vecinas, idénticas entre sí, tienden a ceder en cadena y la estructura colapsa. Carlos Portela, profesor asociado de Ingeniería Mecánica del MIT y uno de los autores principales, describe ese fenómeno como un "efecto de localización" del daño.

Para romper con ese patrón, el grupo de Portela se unió al de Albert-László Barabási, físico de Northeastern y referente mundial en ciencia de redes, la disciplina que estudia cómo se conectan desde las neuronas hasta los usuarios de internet. La inspiración vino de estructuras naturales como las venas de las hojas o las alas de las libélulas.

El método, que los autores llaman de redes "ricas en escalas" (scale-rich), es sencillo en su planteamiento. Un algoritmo traza, una tras otra, líneas en posiciones y ángulos aleatorios dentro de un cuadrado; cada línea avanza hasta chocar con otra o con el borde, y cada nueva viga es más delgada que la anterior. El resultado es una malla de vigas entrecruzadas cuyos grosores, longitudes y conexiones abarcan varios órdenes de magnitud, sin que ningún tamaño predomine.

Todo el diseño se controla con solo dos parámetros: el grosor inicial de las vigas y la velocidad con la que este disminuye. Al ajustarlos, el equipo puede modificar la rigidez del material y su respuesta según la dirección en la que se aplica la fuerza. Según el artículo, el método ofrece un rango de 190 veces en esa propiedad, conocida como anisotropía elástica.

Los investigadores fabricaron muestras de polímero del tamaño aproximado de una tarjeta de crédito, mediante una técnica de impresión 3D con resina que se endurece con luz. Las piezas, formadas por unas 500 vigas, alcanzaron densidades de entre el 20 % y el 75 %; para versiones más livianas, los autores señalan que se requerirían técnicas de impresión de mayor resolución.

En los ensayos, las muestras se deformaron de manera estable y repartida, sin las bandas de colapso típicas de las cuadrículas y los panales, y absorbieron más energía ante compresiones e impactos. "Es más eficiente para distribuir el daño y absorber energía", explicó Portela en el comunicado del MIT. Cuando una zona falla, la red que la rodea contiene el daño y evita un colapso total.

El equipo también probó un diseño inspirado en la cáscara del pomelo, con un borde más denso, que amortiguó y protegió un objeto frágil incrustado en su interior. Además, mostró que estas redes permiten controlar la propagación de ondas mecánicas, lo que abre la puerta a lentes acústicas capaces de enfocar sonido o vibraciones.

Los autores mencionan como posibles usos los cascos, los blindajes, los empaques y los sistemas de absorción de impactos. Sin embargo, se trata de resultados de laboratorio con muestras de pocos centímetros; la versión tridimensional del método se presenta de forma analítica y aún no se ha probado a escala industrial.

La investigación contó con apoyo parcial de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) y participaron también investigadores de la Universidad de Utrecht (Países Bajos).

Preguntas y respuestas de contexto

¿Qué son los nuevos metamateriales diseñados por el MIT y Northeastern?

Son estructuras impresas en 3D cuya resistencia no depende de su composición química, sino de una arquitectura interna inspirada en las nervaduras de las hojas y alas de libélulas.

¿Por qué estas estructuras son superiores a las convencionales?

A diferencia de los diseños tradicionales en cuadrícula que colapsan en cadena, estas redes distribuyen el daño de manera estable, evitando que una grieta local destruya toda la pieza.

¿Qué aplicaciones potenciales tienen estos materiales?

Debido a su alta capacidad para absorber impactos y controlar vibraciones, podrían utilizarse en la fabricación de cascos, blindajes, empaques protectores y lentes acústicas.