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Metamaterial mecánico

Los metamateriales mecánicos son materiales/estructuras artificiales diseñados racionalmente con disposiciones geométricas precisas que dan lugar a propiedades físicas y mecánicas inusuales. Estas propiedades sin precedentes suelen derivar de sus estructuras internas únicas en lugar de los materiales de los que están hechos. La inspiración para el diseño de metamateriales mecánicos a menudo proviene de materiales biológicos (como panales y células), de estructuras de celdas unitarias moleculares y cristalinas, así como de los campos artísticos del origami y el kirigami. Si bien los primeros metamateriales mecánicos tenían repeticiones regulares de estructuras de celdas unitarias simples, ahora se están explorando unidades y arquitecturas cada vez más complejas. Los metamateriales mecánicos pueden considerarse una contraparte de la familia bastante conocida de metamateriales ópticos y metamateriales electromagnéticos . Las propiedades mecánicas, incluida la elasticidad, la viscoelasticidad y la termoelasticidad, son fundamentales para el diseño de metamateriales mecánicos. A menudo también se los conoce como metamateriales elásticos o metamateriales elastodinámicos . Sus propiedades mecánicas pueden diseñarse para tener valores que no se encuentran en la naturaleza, como rigidez negativa, coeficiente de Poisson negativo, compresibilidad negativa y módulo de corte que desaparece. [1] [2] [3] [4 ] [5] [6 ] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

Metamateriales mecánicos clásicos

La impresión 3D , o fabricación aditiva, ha revolucionado este campo en la última década al permitir la fabricación de complejas estructuras de metamateriales mecánicos. Algunas de las propiedades inusuales y sin precedentes de los metamateriales mecánicos clásicos incluyen:

Coeficiente de Poisson negativo (auxética)

El coeficiente de Poisson define cómo se expande (o contrae) transversalmente un material cuando se comprime longitudinalmente. Si bien la mayoría de los materiales naturales tienen un coeficiente de Poisson positivo (que coincide con nuestra idea intuitiva de que al comprimir un material, debe expandirse en la dirección ortogonal), una familia de materiales extremos conocidos como materiales auxéticos pueden exhibir coeficientes de Poisson inferiores a cero. Se pueden encontrar ejemplos de estos en la naturaleza o fabricados [14] [15] y, a menudo, consisten en una microestructura de bajo volumen que otorga las propiedades extremas. En 1985 se publicaron diseños simples de compuestos que poseen un coeficiente de Poisson negativo (celda de periodicidad hexagonal invertida). [16] [17] Además, también se sabe que ciertos pliegues de origami, como el pliegue de Miura y, en general, los pliegues en zigzag, exhiben un coeficiente de Poisson negativo. [18] [19] [20] [21]

Rigidez negativa

Los metamateriales mecánicos de rigidez negativa (NS) son estructuras de ingeniería que exhiben una propiedad contraria a la intuición: cuando se aplica una fuerza externa, el material se deforma de una manera que reduce la fuerza aplicada en lugar de aumentarla. Esto contrasta con los materiales convencionales que resisten la deformación. [22] [23] [24] [25] Los metamateriales NS generalmente se construyen a partir de elementos dispuestos periódicamente que experimentan inestabilidad elástica bajo carga. Esta inestabilidad conduce a un comportamiento de rigidez negativa dentro de un rango de deformación específico. El efecto general es un material que puede absorber energía de manera más eficiente y exhibe propiedades mecánicas únicas en comparación con los materiales tradicionales.

Expansión térmica negativa

Estos metamateriales mecánicos pueden presentar coeficientes de expansión térmica mayores que los de cualquiera de sus constituyentes. [26] [27] [28] La expansión puede ser arbitrariamente grande, positiva o negativa, o cero. Estos materiales exceden sustancialmente los límites de expansión térmica de un compuesto de dos fases. Contienen un espacio vacío considerable.

Alta relación resistencia-densidad

Un metamaterial mecánico con una alta relación resistencia-densidad es un material sintético diseñado para poseer propiedades mecánicas excepcionales en relación con su peso. Esto se logra mediante microestructuras internas cuidadosamente diseñadas, a menudo periódicas o jerárquicas, que contribuyen al rendimiento general del material. [29] [4]

Compresibilidad negativa

En un sistema termodinámico cerrado en equilibrio, tanto la compresibilidad longitudinal como la volumétrica son necesariamente no negativas debido a las restricciones de estabilidad. Por esta razón, cuando se tensan, los materiales ordinarios se expanden a lo largo de la dirección de la fuerza aplicada. Sin embargo, se ha demostrado que los metamateriales pueden diseñarse para exhibir transiciones de compresibilidad negativas, durante las cuales el material experimenta contracción cuando se tensa (o expansión cuando se presiona). [30] Cuando se someten a tensiones isotrópicas, estos metamateriales también exhiben transiciones de compresibilidad volumétrica negativas. [31] En esta clase de metamateriales, la respuesta negativa se produce a lo largo de la dirección de la fuerza aplicada, lo que distingue a estos materiales de los que exhiben una respuesta transversal negativa (como en el estudio del coeficiente de Poisson negativo).

Módulo volumétrico negativo

Los metamateriales mecánicos con módulo volumétrico efectivo negativo presentan propiedades intrigantes y contraintuitivas. A diferencia de los materiales convencionales que se comprimen bajo presión, estos materiales se expanden. Este comportamiento anómalo se debe a su microestructura cuidadosamente diseñada, que permite mecanismos de deformación interna que contrarrestan la tensión aplicada. Las aplicaciones potenciales para estos materiales son vastas. Podrían emplearse para diseñar metamateriales acústicos o fonónicos , amortiguadores avanzados y sistemas de disipación de energía. [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] Además, sus propiedades elásticas únicas pueden encontrar utilidad en la creación de nuevos componentes estructurales con mayor resiliencia y adaptabilidad a cargas dinámicas.

Módulo de corte que desaparece

Imagen SEM de un metamaterial pentamodo (con un tamaño de aproximadamente 300 μm)

Un metamaterial pentamodo es una estructura tridimensional artificial que, a pesar de ser un sólido, se comporta idealmente como un fluido. Por lo tanto, tiene un volumen finito pero un módulo de corte que se desvanece , o en otras palabras, es difícil de comprimir pero fácil de deformar. Hablando de una manera más matemática, los metamateriales pentamodos tienen un tensor de elasticidad con solo un valor propio distinto de cero y cinco valores propios (penta) que se desvanecen. Las estructuras pentamodas fueron propuestas teóricamente por Graeme Milton y Andrej Cherkaev en 1995 [41] pero no se fabricaron hasta principios de 2012. [42] Según la teoría, los metamateriales pentamodos se pueden utilizar como bloques de construcción para materiales con propiedades elásticas completamente arbitrarias. [41] Las versiones anisotrópicas de las estructuras pentamodas son candidatas para la elastodinámica de transformación y el encubrimiento elastodinámico.

Elasticidad micropolar quiral

Muy a menudo, la elasticidad de Cauchy es suficiente para describir el comportamiento efectivo de los metamateriales mecánicos. Cuando las celdas unitarias de los metamateriales típicos no son centrosimétricas, se ha demostrado que se requirió una descripción efectiva utilizando elasticidad micropolar quiral (o Cosserat [43] ). [44] La elasticidad micropolar combina el acoplamiento de los grados de libertad traslacionales y rotacionales en el caso estático y muestra un comportamiento equivalente a la actividad óptica .

Ajustabilidad mecánica infinita

Además de las conocidas propiedades mecánicas sin precedentes de los metamateriales mecánicos, la "capacidad de ajuste mecánico infinito" es otro aspecto crucial de los metamateriales mecánicos. Esto es particularmente importante para los materiales estructurales, ya que su microestructura y rigidez se pueden ajustar para lograr de manera efectiva los límites superiores teóricos para la rigidez y la resistencia específicas . [45] [46] [47] Si bien los compuestos teóricos que logran el mismo límite superior existen desde hace algún tiempo, [48] no han sido prácticos de fabricar ya que requieren características en múltiples escalas de longitud. [49] Los diseños de escala de longitud única son susceptibles de fabricación aditiva , donde pueden permitir sistemas de ingeniería que maximizan la rigidez liviana, la resistencia y la absorción de energía.

Metamateriales mecánicos activos

Hasta la fecha, la mayoría de los estudios convencionales sobre metamateriales mecánicos se han centrado en estructuras pasivas con propiedades fijas, que carecen de capacidades de detección activa o retroalimentación. [50] [13] La integración profunda de funcionalidades avanzadas es un desafío crítico en la exploración de la próxima generación de metamateriales. [51] Los metamateriales mecánicos compuestos podrían ser la clave para lograr este objetivo. Sin embargo, todo el concepto de metamateriales mecánicos compuestos todavía está en su infancia. Obtener un comportamiento programable a través de la interacción entre el material y la estructura en metamateriales mecánicos compuestos permite integrar funcionalidades avanzadas en su textura más allá de sus propiedades mecánicas. El "árbol de conocimiento de metamateriales mecánicos" [13] implica que los metamateriales quirales, reticulares y negativos (por ejemplo, módulo volumétrico negativo o módulo elástico negativo) están maduros, seguidos por los metamateriales origami y celulares.

Las tendencias de investigación recientes han estado entrando en un espacio que va más allá de la mera exploración de propiedades mecánicas sin precedentes. Las direcciones emergentes previstas son la detección, la recolección de energía y la activación de metamateriales mecánicos. El árbol del conocimiento revela que la computación digital, el almacenamiento de datos digitales y las aplicaciones de sistemas micro/nano-electromecánicos (MEMS/NEMS) son uno de los pilares de la investigación futura de metamateriales mecánicos. En esta dirección de evolución, el objetivo final pueden ser metamateriales mecánicos activos con un nivel de cognición. Las capacidades cognitivas son elementos cruciales en unos " metamateriales mecánicos verdaderamente inteligentes ". Al igual que los organismos vivos complejos, los metamateriales mecánicos inteligentes pueden potencialmente desplegar sus capacidades cognitivas para la detección, la autoalimentación y el procesamiento de información para interactuar con los entornos circundantes, optimizando su respuesta y creando un ciclo de detección-decisión-respuesta.

Árbol del conocimiento metamaterial mecánico [13]

Metamateriales mecánicos programables

La respuesta programable es una dirección emergente para los metamateriales mecánicos más allá de las propiedades mecánicas. [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] La capacidad de respuesta eléctrica es una funcionalidad importante para diseñar metamateriales mecánicos adaptativos, actuadores y autónomos. [59] [60] Por ejemplo, se han abierto ideas de investigación mediante metamateriales mecánicos activos y adaptativos que diseñan materiales eléctricos en las unidades microestructurales de metamateriales para convertir de manera autónoma la entrada de tensión mecánica en salida de señal eléctrica. [50] [61]

Metamateriales mecánicos responsivos

La integración de materiales funcionales y diseño mecánico es un área de investigación emergente para explorar metamateriales mecánicos sensibles. [50] Estudios recientes exploran nuevas clases de metamateriales mecánicos que pueden responder a diferentes tipos de excitación, como acústica, [62] termofotovoltaica [63] y magnética. [64]

Detección y recolección de energía mediante metamateriales mecánicos

Estudios recientes han explorado la integración de funcionalidades de detección y recolección de energía en la estructura de metamateriales mecánicos. Los meta-tribomateriales [65] [66] propuestos en 2021 son una nueva clase de metamateriales mecánicos compuestos multifuncionales con funcionalidades intrínsecas de detección y recolección de energía. Estos sistemas de materiales están compuestos por microestructuras triboeléctricas finamente diseñadas y topológicamente diferentes. Los meta-tribomateriales pueden servir como nanogeneradores y medios de detección para recopilar directamente información sobre su entorno operativo. Heredan naturalmente las propiedades mecánicas mejoradas que ofrecen los metamateriales mecánicos clásicos. Bajo excitaciones mecánicas, los meta-tribomateriales generan señales eléctricas que pueden usarse para detección activa y potenciación de sensores y electrónica integrada. [65]

Metamateriales mecánicos electrónicos

Los metamateriales mecánicos electrónicos [67] son ​​metamateriales mecánicos activos con capacidades de computación digital y almacenamiento de información. Han construido las bases para un nuevo campo científico de metamecanotrónica (electrónica de metamateriales mecánicos) propuesto en 2023. [67] Estos sistemas de materiales se crean mediante la integración de metamateriales mecánicos, electrónica digital y tecnologías de recolección de nanoenergía (por ejemplo, triboeléctrica, piezoeléctrica, piroeléctrica). Los metamateriales mecánicos electrónicos tienen el potencial de funcionar como puertas lógicas digitales, allanando el camino para el desarrollo de computadoras de metamateriales mecánicos (MMC) que podrían complementar los sistemas electrónicos tradicionales. [67] Estos sistemas de metamateriales informáticos pueden ser particularmente útiles bajo cargas extremas y entornos hostiles (por ejemplo, alta presión, temperatura alta/baja y exposición a la radiación) donde la electrónica de semiconductores tradicional no puede mantener sus funciones lógicas diseñadas.

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