En el campo de la ciencia de materiales, la búsqueda constante por encontrar materiales que sean a la vez fuertes y flexibles ha sido un desafío histórico debido a la naturaleza contradictoria de estas propiedades. Tradicionalmente, la resistencia y la rigidez de un material implican una menor capacidad de estiramiento, mientras que los materiales elásticos suelen ser menos resistentes. Sin embargo, un equipo de ingenieros del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha logrado romper esta barrera mediante la creación de metamateriales sintéticos impresos que combinan fuerza y elasticidad en un solo material. Los metamateriales son estructuras artificiales diseñadas con patrones microscópicos que proporcionan propiedades inusuales o superiores a las de los materiales naturales convencionales. Su diseño juega un papel crucial en dictar su comportamiento mecánico, óptico o acústico, dependiendo de la aplicación deseada.
Hasta hace poco, el enfoque principal en el diseño de metamateriales se centraba en maximizar la rigidez y resistencia, sacrificando la flexibilidad. El avance del MIT representa una nueva dirección que desafía esta tendencia, ya que han ideado un método para imprimir metamateriales que exhiben tanto una gran resistencia como una notable capacidad para estirarse sin romperse. El secreto de esta tecnología radica en una estructura microscópica denominada “doble red”. Esta consiste en dos arquitecturas entrelazadas: una red rígida formada por barras y trusses diminutos, y una red más suave con forma de espirales o muelles tejidos alrededor de la primera. Ambas redes están hechas originalmente del mismo polímero acrílico, similar al plexiglás, conocido por ser rígido y quebradizo en su forma convencional.
Sin embargo, impresas con el novedoso patrón ultrasensible mediante litografía de dos fotones, estas combinaciones generan un material que puede estirarse más de cuatro veces su tamaño original sin fracturarse completamente. Esta doble red funciona de manera integrada para absorber y disipar la energía cuando el material se somete a tensión. Las áreas rígidas ofrecen soporte y fuerza, mientras que la red más suave actúa como amortiguador, envolviendo las piezas rígidas rotas para evitar una ruptura rápida y aumentando así la durabilidad y flexibilidad global de la estructura. Este concepto fue inspirado por los hidrogeles, materiales que combinan una red molecular dura con otra suave y elástica, logrando así una mezcla de propiedades de resistencia y elasticidad. Adaptar esta idea para la impresión de metamateriales sólidos ha sido un punto de inflexión en la ingeniería de materiales, ya que permite extender este principio a materiales como cerámicas, vidrios y metales, que tradicionalmente son rígidos y frágiles.
Las implicaciones prácticas de estos metamateriales son impresionantes. Primero, para el sector textil, donde se pueden desarrollar telas resistentes a rasgaduras que mantengan la flexibilidad necesaria para prendas de alta performance, ropa deportiva y equipo militar. En la electrónica, este tipo de metamaterial podría revolucionar los semiconductores flexibles, permitiendo dispositivos más duraderos y conformables a diferentes superficies sin comprometer su funcionalidad. Además, en el campo biomédico, estos materiales podrían usarse como andamiajes flexibles y resistentes para el crecimiento celular y la reparación de tejidos, ofreciendo soluciones que se adaptan mecánicamente al cuerpo humano sin perder robustez frente a impactos o deformaciones. También tienen potencial en empaques de dispositivos electrónicos, donde la durabilidad y capacidad de adaptación a movimientos es fundamental.
El equipo de investigación liderado por el profesor Carlos Portela del MIT señala que aún están explorando las numerosas posibilidades que esta tecnología puede ofrecer. Por ejemplo, introducir defectos controlados en la estructura para mejorar la dispersión de tensiones y aumentar la capacidad de estiramiento, lo que inicialmente puede parecer contraproducente pero que en realidad fortalece el material. Además, están desarrollando modelos computacionales para predecir el comportamiento de estas dobles redes, lo que facilitará el diseño personalizado de metamateriales según las necesidades específicas de cada aplicación. Esta innovación abre la puerta hacia metamateriales multifuncionales, donde es posible integrar respuesta térmica, conductividad o regulación de porosidad junto con sus características mecánicas. Actualmente, la fabricación se realiza con acrílicos, pero el verdadero objetivo es expandir este método a materiales rígidos y quebradizos como cerámicas, vidrios o metales, que tradicionalmente no se pueden deformar sin romperse.
Conseguir metamateriales metálicos o cerámicos que sean flexibles cambiaría el paradigma en industrias como la aeronáutica, automotriz, construcción y electrónica avanzada. El avance se basa en el uso de tecnologías de impresión tridimensional de alta precisión, como la litografía de dos fotones, que permite imprimir patrones complejos a escala micrométrica con alta resolución. Esta capacidad es crucial, pues la eficiencia de la doble red depende en gran medida del control minucioso sobre las geometrías y dimensiones de los componentes del material. El respaldo de instituciones como la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos y el apoyo del MIT.nano, y la colaboración entre expertos en ingeniería mecánica, ciencia de materiales y nanotecnología, ha sido vital para desarrollar esta investigación y garantizar que se pueda escalar hacia aplicaciones comerciales y científicas.
