Científicos de Caltech han logrado diseñar con precisión piezas metálicas tridimensionales (3D) de dimensiones nanoscópicas. El proceso, que puede aplicarse a cualquier metal o aleación, produce componentes con una resistencia sorprendente a pesar de su microestructura porosa y defectuosa, lo que los hace potencialmente útiles en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo dispositivos médicos, chips de computadora y equipos necesarios para misiones espaciales.
Los científicos describen su método en un artículo publicado en la revista Nature Communications. El trabajo fue completado en el laboratorio de Julia R. Greer, Profesora Ruben F. Y Donna Mettler de Ciencias de los Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica en Caltech, y Huajian Gao de la Universidad de Tsinghua en Beijing.
Los investigadores utilizan una técnica llamada litografía de dos fotones que les permite construir secuencialmente un objeto del tamaño y la forma deseados controlando cuidadosamente la geometría a nivel de voxeles individuales, los volúmenes o características más pequeños distinguibles en una imagen 3D. Comenzando con un líquido sensible a la luz, los científicos utilizan un haz láser de femtosegundos –un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo– para construir una forma deseada a partir de un material gelatinoso llamado hidrogel. Después de infundir la miniatura escultura de hidrogel con sales metálicas, como nitrato de cobre o nitrato de níquel, calientan la estructura dos veces en un horno especializado para producir una réplica metálica reducida de la forma original.
«Ahí es donde ocurre la magia», afirma Greer, quien también es la directora ejecutiva de física aplicada y ciencia de los materiales en Caltech. Primero, los científicos queman todos los compuestos orgánicos presentes en el hidrogel, dejando un óxido metálico como óxido de níquel o óxido de hierro. A veces, cuando crean lentes u otros elementos ópticos, el producto deseado se completa después de este primer paso térmico. Para otros materiales, los investigadores realizan un segundo paso térmico utilizando un conjunto diferente de gases en el horno para eliminar el oxígeno mediante la reducción del óxido metálico, dejando solo la estructura metálica deseada.
«Debido a este proceso térmico, hay una enorme reducción de volumen», explica Greer. De hecho, el proceso puede reducir el volumen precalentado hasta en un 90 por ciento, produciendo pequeñas estructuras reticulares o intercambiadores de calor, por ejemplo, con dimensiones generales inferiores a 50 micras y bloques de construcción medidos en nanómetros.
Construyendo Modelos Fiables
El equipo de Greer también puede diseccionar estas estructuras en miniatura, revelando cada defecto presente. De hecho, el equipo descubrió que estas nanoestructuras están lejos de ser perfectas: contienen numerosas imperfecciones, como poros, límites de grano e incluso inclusiones o impurezas. Si este tipo de microestructuras se encontraran en piezas metálicas de tamaño macroscópico, los materiales probablemente serían descalificados porque serían débiles y susceptibles a fallas.
Pero cuando los científicos incorporaron los detalles microestructurales de sus pequeñas piezas 3D en modelos, encontraron que predicen resistencias realistas que son hasta 50 veces mayores de lo que se esperaría de los mismos metales con dimensiones mayores y microestructuras similares. Simplemente, las cosas funcionan de manera diferente a nanoescala, donde existe un conocido efecto de tamaño «más pequeño es diferente».
Greer subraya que, a diferencia de otros modelos de piezas estructurales que tratan los materiales como ideales o no tienen en cuenta con precisión los defectos, los modelos desarrollados por sus colaboradores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur son físicamente relevantes y fiables.
«Introducimos exactamente la microestructura que descubrimos en los modelos. No es una inferencia. No es representativa. Es la microestructura real que creamos», explica Greer. Como resultado, por primera vez, los modelos predicen las resistencias correctas y observadas de las piezas fabricadas.
«Creo que este trabajo básicamente demuestra que en el futuro, incluso cuando ‘nanoarquitectemos’ nuestro mundo con piezas personalizadas, podremos predecir de manera fiable sus propiedades, algo que la sociedad aún no ha logrado», afirma Greer. «Y no tenemos que descalificar una pieza simplemente porque contiene defectos».
Los autores principales del artículo, «Nanoporosity-Driven Deformation of Additively Manufactured Nano-Architected Metals», son Wenxin Zhang (PhD ’25) y Zhi Li, quien actualmente trabaja en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. Y por la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur.
