Microestructura metálica

Una microestructura metálica es un material metálico poroso sintético que consiste en una espuma metálica ultraligera . Con una densidad tan baja como 0,99 mg/cm³ ⁽ 0,00561 lb/ft³ ⁾ , es uno de los materiales estructurales más ligeros conocidos por la ciencia. ^{[ 1 ]} Fue desarrollada por un equipo de científicos de HRL Laboratories , con sede en California , en colaboración con investigadores de la Universidad de California, Irvine y Caltech , y se anunció por primera vez en noviembre de 2011. Las muestras prototipo se fabricaron con una aleación de níquel - fósforo . ^{[ 2 ]} En 2012, el prototipo de microestructura fue declarado una de las 10 innovaciones que cambian el mundo por Popular Mechanics . ^{[ 3 ]} La tecnología de microestructuras metálicas tiene numerosas aplicaciones potenciales en la ingeniería automotriz y aeronáutica . ^{[ 4 ]} Un estudio comparativo detallado entre otros tipos de estructuras de celosía metálica demostró que son beneficiosas para la reducción de peso, pero costosas de fabricar. ^{[ 5 ]}  

Para producir su microestructura metálica, el equipo HRL/UCI/Caltech preparó primero una plantilla de polímero utilizando una técnica basada en la formación de guías de onda autopropagantes , ^{[ 6 ] [ 7 ]} aunque se señaló que se pueden utilizar otros métodos para fabricar la plantilla. ^{[ 8 ]} El proceso hizo pasar luz UV a través de una máscara perforada hacia un depósito de resina fotopolimerizable . Se produjo un "autoatrapamiento" de la luz similar al de la fibra óptica a medida que la resina se curaba bajo cada orificio de la máscara, formando una fina fibra de polímero a lo largo del recorrido de la luz. Al utilizar múltiples haces de luz, se pudieron interconectar múltiples fibras para formar una estructura reticular.

El proceso fue similar a la fotolitografía en que utilizó una máscara bidimensional para definir la estructura de la plantilla inicial, pero se diferenció en la velocidad de formación: mientras que la estereolitografía podría tardar horas en crear una estructura completa, el proceso de guía de onda autoformada permitió la formación de plantillas en 10 a 100 segundos. De esta manera, el proceso permite la formación rápida y escalable de grandes materiales reticulares 3D independientes. La plantilla se recubrió con una fina capa de metal mediante niquelado químico , y posteriormente se eliminó mediante grabado, dejando una estructura metálica porosa periódica independiente . En el informe original se utilizó níquel como metal de microretícula. Debido al proceso de electrodeposición, el 7 % del material consistía en átomos de fósforo disueltos y no contenía precipitados . ^{[ 8 ]}

Una microestructura metálica está compuesta por una red de puntales huecos interconectados. En la muestra de microestructura menos densa reportada, cada puntal tiene aproximadamente 100 micrómetros de diámetro, con una pared de 100 nanómetros de espesor. La estructura completa es aproximadamente 99,99 % aire en volumen, ^{[ 2 ]} y por convención, la masa de aire se excluye al calcular la densidad de la microestructura. ^{[ 8 ]} Considerando la masa del aire intersticial, la densidad real de la estructura es aproximadamente 2,1  mg/cm³ ⁽ 2,1  kg/m³ ⁾ , que es solo aproximadamente 1,76 veces la densidad del aire a 25  °C. Se describe que el material es 100 veces más ligero que el poliestireno expandido . ^{[ 9 ]} Las microestructuras también pueden ser 100 veces más resistentes que los polímeros regulares. ^{[ 10 ]}

Las microestructuras metálicas se caracterizan por densidades muy bajas; el récord de 0,9  mg/cm³ ^de 2011 se encuentra entre los valores más bajos de cualquier sólido conocido. El récord anterior de 1,0  mg/cm³ ^lo ostentaban los aerogeles de sílice , y se afirma que el aerografito tiene una densidad de 0,2 mg/cm³ ^. [ ^{11 ] Mecánicamente} , estas microestructuras se comportan de forma similar a los elastómeros y recuperan casi por completo su forma después de una compresión significativa. ^{[ 12 ]} Esto les confiere una ventaja significativa sobre los aerogeles anteriores, que son sustancias frágiles y vítreas. Esta propiedad elastomérica en las microestructuras metálicas también resulta en una absorción de impactos eficiente. Su módulo de Young E presenta una escala diferente, con la densidad ρ, E ~ ρ² ^, en comparación con E ~ ρ³ ^en aerogeles y espumas de nanotubos de carbono . ^{[ 8 ]} 

Las microestructuras metálicas pueden tener aplicaciones potenciales en aislantes térmicos y de vibraciones, como amortiguadores , y también pueden resultar útiles como electrodos de baterías y soportes de catalizadores. ^{[ 8 ]} Además, la capacidad de las microestructuras para volver a su estado original después de ser comprimidas puede hacerlas adecuadas para su uso en dispositivos de almacenamiento de energía tipo resorte. ^{[ 2 ]} Los fabricantes de automóviles y aeronaves están utilizando la tecnología de microestructuras para desarrollar estructuras extremadamente ligeras y eficientes que combinan múltiples funciones, como el refuerzo estructural y la transferencia de calor, en componentes únicos para vehículos de alto rendimiento. ^{[ 4 ]}

Un material similar pero más denso, consistente en una capa de níquel nanocristalino electrodepositada sobre una estructura polimérica de prototipado rápido , fue creado por investigadores de la Universidad de Toronto en 2008. ^{[ 13 ]} En 2012, investigadores alemanes crearon una espuma de carbono conocida como aerografito , con una densidad aún menor que una microestructura metálica. ^{[ 14 ]} En 2013, científicos chinos desarrollaron un aerogel a base de carbono que, según afirmaron, era aún más ligero. ^{[ 1 ]}

Las nanoestructuras reticulares, como las nanoestructuras basadas en tubos, son estructuras similares a menor escala.

• Vídeo de una microestructura metálica sometida a compresión, disponible en YouTube.