Ingenieros desarrollan láminas micrométricas de metal que se reparan solas

Un equipo de ingenieros de la universidad estadounidense de Illinois ha conseguido generar láminas metálicas compuestas por gránulos nanométricos de diversos tamaños que se arreglan “solas”, volviendo a su forma original tras haber sido dobladas. La interacción entre los gránulos que forman la microestructura de las láminas es la que permite la reparación, que puede acelerarse con la aplicación de calor. En estas circunstancias el arreglo no conserva ningún endurecimiento residual. Se abre así la puerta a múltiples aplicaciones cercanas a la ciencia ficción, ya que este descubrimiento abre la posibilidad de crear objetos metálicos, como la carrocería de los automóviles, capaces de repararse espontáneamente.

Que los objetos de metal puedan arreglarse sólo con calor nos traslada inmediatamente al campo de la ciencia ficción o de la magia, pero es lo que han conseguido, aún a una escala nanométrica pero prometedora, ingenieros norteamericanos de la universidad de Illinois. Los ingenieros han podido demostrar por vez primera que la deformación plástica en láminas nanocristalinas de metal puede ser altamente reversible, lo que abre la posibilidad de diseñar y fabricar componentes metálicos susceptibles de recuperar su forma o “arreglarse” a sí mismos después de haber sido deformados o abollados.
Normalmente, cuando una pieza de metal, por ejemplo, un clip o sujetapapeles, se dobla, este cambio en su forma perdura. O cuando un coche choca con otro, sus carrocerías se deforman y sólo pueden arreglarse, con suerte, en un taller mecánico.
¿Qué sucedería si se consiguieran fabricar estructuras metálicas cuya composición y disposición molecular fuese capaz de “recordar” su forma original y, con la aplicación de calor, pudieran volver a ella?

La tecnología desarrollada por la Universidad de Illinois, aunque se desenvuelve todavía a escala de microsistemas, nos aproxima a esta posibilidad, según explica esta Universidad en un comunicado. Memoria del original
El profesor Taher A. Saif, del departamento de ingeniería y ciencia mecánica de Illinois, en colaboración con los estudiantes graduados Jogannathan Rajagopalan y Jong H. Han, ha conseguido lo impensable: generar una microestructura en finas láminas de metal que permite que, con la aplicación de calor, dichas láminas recobren su forma original después de haber sido dobladas. Se trata por tanto de láminas micrométricas (un micrómetro equivale a una millonésima parte de un metro) de las que algunos de los granos que componen su estructura son nanométricos (un namómetro equivale a una milmillonésima parte de un metro). Según añade al respecto la universidad de Illinois, los ingenieros han descubierto, además, que cuanto mayor sea la temperatura que se provoca, más rápido vuelven dichas láminas a ser como antes. La recuperación dependería por tanto del paso del tiempo, de la activación térmica y de la distribución de las energías de activación, explica el departamento de ingeniería y ciencia mecánica de Illinois.
Pero, además, cuando este proceso termina, las láminas no conservan ninguno de los efectos previos de deformación. Este comportamiento se diferencia marcadamente del de los metales formados por gránulos grandes, que suelen mantener un pronunciado endurecimiento residual tras haber sido plásticamente deformados.

Recuperación completa Saif señala que “parece como si el metal pudiera conservar la memoria de la forma de la que procede”. En un artículo aparecido en la revista Science los ingenieros explican que el experimento fue realizado con láminas de metales nanocristalinos, cuyos mecanismos de deformación difieren sustancialmente de los metales formados por gránulos de mayores dimensiones. Las pruebas demostraron que láminas de alumino y de oro nanocristalinos deformadas, compuestas de gránulos, podían recuperar la forma original en entre un 50% y un 100%. El tamaño de las láminas de aluminio era de 200 nanómetros de grosor, entre 50 y 60 micras de ancho y entre 300 y 360 micras de largo. Las láminas de oro eran de 200 nanómetros de grosor, de entre 12 y 20 micras de ancho y de 185 micras de largo.
El tamaño medio de los gránulos que componían las láminas de aluminio era de 65 nanómetros, y en las de oro, de 50 nanómetros.
Según Saif, esta capacidad intrínseca de “arreglarse” no depende del metal escogido, sino del tamaño de los gránulos que componen su microestructura cristalina, así como de su distribución. Distribución clave

Si los gránulos son demasiado pequeños de manera uniforme, el metal se rompe y quiebra cuando es doblado. Si, por el contrario, los gránulos son uniformemente demasiado grandes, cuando es doblado mantiene esa posición. Para que pueda volver a la forma inicial, se necesita un equilibrio entre la fragilidad del primer caso y la flexibilidad del segundo, asegura Saif. Este equilibrio puede lograrse con una combinación de gránulos pequeños y grandes. De esta manera, las variaciones en la microestructura propician una deformación plástica en los gránulos grandes y una adaptación elástica en los pequeños.
Los gránulos mayores se doblan, pero empujan y tiran de los más pequeños, lo que permite que las láminas se doblen como un muelle.
Después, los gránulos pequeños liberan energía y fuerzan a los mayores a volver a su forma original. Esta liberación de energía puede acelerarse con la aplicación de calor, lo que aumenta la velocidad del proceso.

El control de las microestructuras de láminas finas también puede reducir la pérdida de energía de los osciladores y resonadores de circuitos electrónicos, que se utilizan en sensores de air-bags, cámaras de vídeo, proyectores digitales o sistemas de posicionamiento global (GPS). Según Saif, si los gránulos que constituyen las láminas metálicas de estos dispositivos se reducen de tamaño, también puede reducirse mucho su pérdida de energía.