Los ingenieros de la Universidad de Princeton han logrado desarrollar un material basado en cemento que supera a sus homólogos convencionales en términos de resistencia. Este nuevo diseño inspirado en la arquitectura de la capa exterior del hueso humano es 5,6 veces más resistente a los daños y evita el agrietamiento repentino que caracteriza a los cementos estándar.
¿Cómo la inspiración en huesos mejora la resistencia del cemento?
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Reza Moini y el candidato a doctorado Shashank Gupta, introdujo un enfoque innovador para mejorar la durabilidad del hormigón. En lugar de agregar fibras o plásticos para reforzar el material, optaron por incorporar una arquitectura interna similar a un tubo, inspirada en la estructura del hueso cortical humano. Este método crea un mecanismo de endurecimiento gradual que mejora la capacidad del cemento para resistir fracturas.
Este nuevo material se diferencia de los métodos tradicionales gracias a la implementación de tubos cilíndricos y elípticos en su composición. Estos interactúan con las grietas a medida que se propagan, reduciendo el riesgo de fallas repentinas.
Cada extensión de la grieta está controlada, evitando un fallo catastrófico.
Explicó Gupta.
Este control gradual contribuye a la disipación de energía adicional, lo que permite al material resistir daños progresivos y aumentar su resistencia general.
Manipulación geométrica para materiales más resistentes
Moini señala que el enfoque se basa en manipular la estructura del material en lugar de añadir elementos externos. Al ajustar la geometría, el tamaño y la orientación de los tubos, el equipo ha logrado promover la interacción con las grietas para mejorar la resistencia sin comprometer otras propiedades. Este método, respaldado por principios teóricos de mecánica de fracturas, aprovecha la capacidad del material para desviar las grietas alrededor de las estructuras internas, simulando el comportamiento del hueso humano.
Los investigadores también presentaron un novedoso método para cuantificar el grado de desorden en los materiales arquitectónicos, aplicando parámetros de mecánica estadística. Esta herramienta permite diseñar materiales con un grado de desorden personalizado, expandiendo las posibilidades de crear hormigones más resistentes. Según Moini, el uso de técnicas como la fabricación aditiva contribuirá a mejorar el diseño y ampliación de estas estructuras tubulares en componentes de infraestructura civil.
Futuras aplicaciones en la industria
La investigación abre nuevas oportunidades para desarrollar materiales de construcción más duraderos y resistentes. La introducción de técnicas robóticas y de fabricación aditiva permitirá explorar diferentes variables, como el tamaño y la orientación de los tubos, aplicando los principios aprendidos a otros materiales frágiles.
El artículo, titulado “Material de cemento con arquitectura tubular inspirado en hueso cortical resistente y desordenado”, fue publicado en la revista Advanced Materials. Este trabajo cuenta con el respaldo de la National Science Foundation, lo que refuerza la relevancia y el potencial de su aplicación en la industria de la construcción.
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Fuente y fotos: Princeton University
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