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Un montículo de termitas en la Reserva de Caza de Gaborone en Botswana. Se sabe que las termitas construyen montículos de hasta 30 pies de altura. Crédito de la foto: Oratile Leipego |
Resumen:
Inspirándose en la forma en que las termitas construyen sus nidos, los investigadores de Caltech han desarrollado un marco para diseñar nuevos materiales que imitan las reglas básicas ocultas en los patrones de crecimiento de la naturaleza. Los investigadores demostraron que con estas reglas es posible crear materiales con propiedades programables específicas.
Imitando termitas para crear nuevos materiales
Pasadena, California | Publicado el 26 de agosto de 2022
El estudio, dirigido por Chiara Daraio, profesora de Ingeniería Mecánica y Física Aplicada de G. Bradford Jones e investigadora del Instituto de Investigación Médica Heritage, se publicó el 26 de agosto en la revista Science.
«Las termitas miden solo unos pocos milímetros de largo, pero sus nidos pueden crecer hasta 4 metros de altura, el equivalente a que un humano construya una casa de la altura del Monte Whitney, California», dice Daraio. Cuando miras dentro de un nido de termitas, ves una red de estructuras interconectadas asimétricas, como el interior de una barra de pan o una esponja. Esta estructura desordenada e irregular de granos de arena, polvo, suciedad, saliva y estiércol parece aleatoria, pero un nido de termitas está específicamente optimizado para la estabilidad y la ventilación.
«Pensamos que al comprender cómo una termita ayuda a crear el nido, podríamos definir reglas simples para diseñar materiales arquitectónicos con propiedades mecánicas únicas», dice Daraio. Los materiales arquitectónicos son sólidos similares a la espuma o compuestos que componen los bloques de construcción, que luego se organizan en estructuras tridimensionales, desde la escala nanométrica hasta la micrométrica. Hasta este momento, el campo de los materiales arquitectónicos se ha centrado principalmente en las arquitecturas periódicas; dichas arquitecturas contienen una celda unitaria de geometría uniforme, como un octaedro o un cubo, y luego estas celdas unitarias se repiten para formar una estructura reticular. Sin embargo, el enfoque en estructuras ordenadas ha limitado las funcionalidades y usos de los materiales arquitectónicos.
“Las arquitecturas periódicas son convenientes para nosotros los ingenieros porque podemos hacer suposiciones al analizar sus propiedades. Sin embargo, cuando pensamos en las aplicaciones, no son necesariamente la opción de diseño óptima”, dice Daraio. Las estructuras desordenadas como la de un nido de termitas son más comunes en la naturaleza que las estructuras periódicas y, a menudo, exhiben funcionalidades superiores, pero hasta ahora los ingenieros no habían encontrado una forma confiable de diseñarlas.
«Inicialmente, abordamos el problema considerando los recursos limitados de una termita», dice Daraio. Al construir su nido, una termita no tiene un plano del diseño completo del nido; solo puede tomar decisiones basadas en reglas locales. Por ejemplo, una termita puede tomar granos de arena que encuentra cerca de su nido y unir los granos usando métodos aprendidos de otras termitas. Un grano de arena redondo puede caber junto a una forma de media luna para mayor estabilidad. Tales reglas básicas de vecindad pueden usarse para describir cómo construir un nido de termitas. «Creamos un programa numérico para diseñar materiales con reglas similares que definen cómo se pueden unir dos bloques diferentes de material», dice ella.
Este algoritmo, que Daraio y su equipo denominan «programa de crecimiento virtual», simula el crecimiento natural de estructuras biológicas o la creación de nidos de termitas. En lugar de un grano de arena o una mota de polvo, el programa de crecimiento virtual utiliza geometrías de materiales únicas, o bloques de construcción, y pautas de proximidad sobre cómo se pueden unir esos bloques de construcción. Los bloques virtuales utilizados en este primer trabajo incluyen una forma de L, una forma de I, una forma de T y una forma de +. Además, se define la disponibilidad de cada bloque de construcción, en paralelo con los recursos limitados que una termita puede encontrar en la naturaleza. Usando estas restricciones, el programa construye una arquitectura en una cuadrícula, y estas arquitecturas luego se pueden traducir a modelos físicos 2D o 3D.
“Nuestro objetivo es generar geometrías desordenadas con propiedades definidas por el espacio de combinación de algunas formas esenciales como una línea recta, una cruz o una forma de ‘L’. Estas geometrías se pueden imprimir en 3D con una variedad de materiales diferentes según las necesidades de la aplicación», dice Daraio.
Reflejando la aleatoriedad de un nido de termitas, cada geometría creada por el programa de crecimiento virtual es única. Por ejemplo, cambiar la disponibilidad de bloques de construcción en forma de L da como resultado un nuevo conjunto de estructuras. Daraio y su equipo experimentaron con las entradas virtuales para generar más de 54 000 ejemplos arquitectónicos simulados; Las muestras se podrían agrupar en grupos con diferentes propiedades mecánicas que podrían determinar cómo se deforma un material, su rigidez o su densidad. Al representar gráficamente la relación entre el diseño del dispositivo, la disponibilidad de recursos y las características mecánicas resultantes, Daraio y su equipo pueden analizar las reglas subyacentes de las estructuras desordenadas. Esto representa un marco completamente nuevo para el análisis y la ingeniería de materiales.
“Queremos comprender las reglas básicas del diseño de materiales para luego crear materiales que tengan un rendimiento superior en comparación con los que usamos actualmente en ingeniería”, dice Daraio. «Por ejemplo, imaginamos la creación de materiales que sean más ligeros pero también más resistentes a las roturas o que absorban mejor los impactos mecánicos y las vibraciones».
El programa de crecimiento virtual explora la frontera desconocida de los materiales desordenados al imitar la forma en que una termita construye su nido en lugar de replicar la configuración del nido mismo. «Esta investigación tiene como objetivo controlar el desorden en los materiales para mejorar las propiedades mecánicas y funcionales mediante el uso de herramientas de diseño y análisis no explotadas anteriormente», dice Daraio.
El documento se titula «Reglas de crecimiento para materiales de forma irregular con propiedades programables». Junto a Daraio, el ex postdoctorado de Caltech Ke Liu y la ex alumna Rachel Sun (BS ’21) son coautores. Sun trabajó en este proyecto como estudiante en el programa de becas de investigación de pregrado de verano (SURF) de Caltech 2020. La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Fondo de Nuevas Aventuras Caltech Carver Mead, el programa SURF de Caltech y la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Pekín.
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