Materiales ultrafuertes y ligeros en la impresión 3D
Un equipo de investigadores de la Universidad de Toronto ha desarrollado nuevos materiales nanoarquitectados que combinan la resistencia del acero al carbono con la baja densidad del poliestireno expandido (styrofoam). Gracias al uso de aprendizaje automático, los científicos diseñaron nanomallas de carbono optimizadas, estructuras 3D complejas compuestas por diminutos bloques que miden unos pocos cientos de nanómetros. La investigación fue publicada en la revista Advanced Materials.
Innovación con nanolattices optimizados mediante algoritmos de aprendizaje automático
La creación de estos nuevos materiales se llevó a cabo en colaboración con el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST). Utilizando un algoritmo de optimización bayesiana multiobjetivo, el equipo predijo las geometrías óptimas para mejorar las relaciones de resistencia y peso. Los prototipos se fabricaron mediante una impresora 3D de polimerización de dos fotones, una tecnología de vanguardia para crear estructuras precisas a escala nanométrica.
Mejoras de rendimiento significativas con respecto a los diseños actuales
Las nanomallas optimizadas demostraron mejoras significativas en el rendimiento en comparación con los diseños existentes. Los nuevos materiales alcanzaron una resistencia al estrés de 2.03 megapascales por cada metro cúbico por kilogramo de densidad, aproximadamente cinco veces superior a la del titanio. Este avance se logró con un conjunto de datos relativamente pequeño de solo 400 puntos, mucho menos que los 20,000 o más puntos de datos que normalmente se requieren para estudios de esta naturaleza.
Aplicaciones en la industria aeroespacial y ahorro de combustible
Las aplicaciones potenciales de estos materiales son diversas, pero destacan especialmente en la industria aeroespacial. Según los investigadores, reemplazar componentes de titanio en aeronaves con estos nuevos materiales podría resultar en un ahorro de 80 litros de combustible por año por cada kilogramo de material sustituido. Esta reducción en el consumo de combustible ayudaría a disminuir la huella de carbono del transporte aéreo, un factor crucial para la sostenibilidad del sector.
Escalado y futuras investigaciones para componentes a gran escala
El equipo de investigación, dirigido por el Profesor Tobin Filleter, se encuentra ahora enfocado en escalar los diseños de los materiales para permitir la fabricación de componentes a gran escala de manera rentable. A medida que continúan explorando nuevos diseños, su objetivo es mantener una alta resistencia y rigidez mientras siguen reduciendo la densidad. Este proyecto ha reunido a expertos de diversas instituciones, como el MIT, la Universidad Rice y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe.
