Un material que es 10 veces más duro que el acero, pero mucho más ligero

Científicos del MIT han dado un paso gigantesco en la producción de materiales bidimensionales, como el grafeno, para desterrar al acero de nuestras vidas.

El acero es uno de los materiales más resistentes que existen y, por ello, es usado en todo tipo de entornos, desde la construcción o las infraestructuras públicas hasta la fabricación de todo tipo de bienes industriales. Sin embargo, uno de los problemas que suele presentar este material es su peso, que lo convierte en un metal poco apropiado para muchos otros usos.

¿Sería posible combinar ambos mundos, resistencia y ligereza, en un único material de vanguardia? Nos tenemos que ir hasta Estados Unidos, y más concretamente, hasta el Massachusetts Institute of Technology (MIT) para encontrar la receta mágica que dote de vida a una variante del tan prometido grafeno en la que se esconda la combinación perfecta de todos los principios físicos.

Así pues, investigadores del MIT han diseñado uno de los materiales más ligeros y más fuertes jamás conocidos, mediante la compresión y fusión de escamas de grafeno, una forma bidimensional de carbono. El nuevo material, una configuración de tipo esponja con una densidad de apenas el 5 por ciento respecto a la del acero, puede tener una fuerza hasta diez veces mayor que el del acero.

En su forma bidimensional, los científicos creen que el grafeno es el más fuerte de todos los materiales conocidos sobre la faz de la Tierra. Pero, hasta ahora, los investigadores siempre han tenido dificultades para traducir esa fuerza bidimensional en materiales tridimensionales útiles. De ahí la importancia del hallazgo del MIT: el aspecto crucial de las nuevas formas tridimensionales tiene más que ver con su configuración geométrica inusual que con el propio material, lo que sugiere que otros compuestos (igual de fuertes y ligeros) podrían ser fabricados a partir de una amplia variedad de fuentes que sean capaces de crear formas geométricas con similares características.

El descubrimiento ha sido publicado recientemente por Markus Buehler, director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT; Zhao Qin, Gang Seob Jung y Min Jeong Kang, en la prestigiosa revista Science Advances. Otros grupos habían sugerido la posibilidad de tales estructuras ligeras, pero los experimentos de laboratorio no habían logrado cumplir con las predicciones.

El equipo del MIT decidió resolver el misterio analizando el comportamiento del material hasta el nivel de los átomos individuales dentro de la estructura. En ese sentido, fueron capaces de producir un marco matemático que se ajusta muy de cerca a las observaciones experimentales.

Los científicos del MIT consiguieron comprimir pequeñas escamas de grafeno utilizando una mezcla de calor y presión. Este proceso produjo una estructura fuerte y estable, cuya forma se asemeja a la de algunos corales y criaturas microscópicas llamadas diatomeas. Estos diseños, que tienen una superficie enorme en proporción a su volumen, resultaron ser notablemente fuertes.

La extraordinaria resistencia de esta fórmula de grafeno se puede explicar siguiendo el ejemplo de las hojas de papel: una hoja tiene poca fuerza a lo largo de su longitud y anchura, y puede ser fácilmente arrugada. Pero cuando se juntan varias hojas de papel en ciertas formas, por ejemplo enrolladas en un tubo, de repente la fuerza a lo largo de la longitud del tubo es mucho mayor y puede soportar un peso sustancial. En el caso que nos ocupa, la disposición geométrica de los copos de grafeno después del tratamiento forma naturalmente una configuración muy fuerte.

Eso sí, no todo son buenas noticias. Y es que el equipo del MIT descartó la posibilidad propuesta por otros científicos: que podría ser posible hacer que las estructuras de grafeno en tres dimensiones fueran tan livianas que en realidad serían más ligeras que el aire.

De haberse constatado esta teoría, el grafeno podría ser empleado incluso como un reemplazo duradero para el helio en globos. Sin embargo, el estudio ha demostrado que a tales densidades, extremadamente bajas, el material no tendría suficiente resistencia y se colapsaría con la presión de aire circundante.