Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han descubierto la manera de fabricar un metamaterial resistente y elástico que podría aplicarse en semiconductores flexibles. El material base suele ser muy rígido y frágil, pero se imprime con patrones precisos e intrincados que forman una estructura resistente y flexible.
La clave de las propiedades duales del nuevo material reside en una combinación de soportes microscópicos rígidos y una arquitectura de tejido más suave. Esta red doble microscópica, impresa con un polímero similar al plexiglás, produjo un material que podía estirarse cuatro veces su tamaño sin romperse por completo. En comparación, el polímero en otras formas presenta poca o ninguna elasticidad y se rompe fácilmente al agrietarse.
Los investigadores seleccionaron el hidrogel como material principal. Los hidrogeles son materiales blandos, elásticos, similares a la gelatina, compuestos principalmente de agua y una pequeña cantidad de estructura polimérica. A través de combinaciones de redes poliméricas con propiedades muy diferentes, como una red de moléculas naturalmente rígida que se retícula químicamente con otra red molecular inherentemente blanda, los investigadores consiguieron crear una estructura elástica y resistente.
Combinación de arquitecturas microscópicas
Para el estudio, el equipo fabricó un metamaterial combinando dos arquitecturas microscópicas. La primera es un andamiaje rígido, en forma de rejilla, de puntales y cerchas. La segunda es un patrón de bobinas que se entrelazan alrededor de cada puntal y cercha. Ambas redes están hechas del mismo plástico acrílico y se imprimen de una sola vez mediante una técnica de impresión láser de alta precisión llamada litografía de dos fotones.
Los investigadores imprimieron muestras del nuevo metamaterial inspirado en la doble red, cada una con un tamaño que oscilaba entre varias micras cuadradas y varios milímetros cuadrados. Sometieron el material a una serie de pruebas de tensión, en las que sujetaron cada extremo de la muestra a una prensa nanomecánica especializada y midieron la fuerza necesaria para separar el material. También grabaron vídeos de alta resolución para observar las ubicaciones y las formas en que el material se estiraba y se desgarraba al separarse.
Mayor resistencia elástica
Descubrieron que su nuevo diseño de doble red podía estirarse tres veces su propia longitud, lo que resultó ser diez veces mayor que un metamaterial convencional con patrón reticular impreso con el mismo plástico acrílico. Según el equipo, la resistencia a la elasticidad del nuevo material proviene de las interacciones entre los puntales rígidos del material y el tejido más desordenado y en espiral a medida que el material se somete a tensión y tracción.
Asimismo, el equipo ha desarrollado un marco computacional que puede ayudar a los ingenieros a estimar el rendimiento de un metamaterial dado el patrón de sus redes rígidas y elásticas. Los investigadores afirman que el nuevo diseño de doble red puede aplicarse a otros materiales, por ejemplo, para fabricar cerámica elástica, vidrio y metales. Estos materiales, resistentes pero flexibles, podrían convertirse en semiconductores flexibles, encapsulados de chips electrónicos, o textiles resistentes al desgarro.