Dan con el secreto para fabricar un sorprendente cemento 17 veces más fuerte que el actual

Ingenieros de la Universidad de Princeton han dado con un compuesto extraordinario inspirado en la estructura natural del nácar, algo que les ha permitido desarrollar un cemento que es 17 veces más resistente al agrietamiento y 19 veces más deformable antes de romperse que el cemento estándar. Y, según sus descubridores, esto es sólo el principio de un material que puede revolucionar cómo construimos todo.

Desarrollado por Reza Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, y su estudiante de posgrado Shashank Gupta, este nuevo material mejora la dureza y flexibilidad del cemento, que tradicionalmente es frágil y propenso a agrietarse. "Si podemos diseñar hormigón para resistir la propagación de grietas, podemos hacerlo más resistente, seguro y más duradero", afirma Gupta.

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Como en incontables inventos de la humanidad, los ingenieros encontraron inspiración en la naturaleza para conseguir su propósito, fijándose en las propiedades del nácar. Este material natural —comúnmente conocido como madreperla y que habitualmente se encuentra en las conchas de las ostras o el abulón— está formado por tabletas hexagonales de aragonita, un mineral duro, unida por un biopolímero blando. Esta estructura lo hace extremadamente fuerte y flexible, así que el equipo de Princeton se puso como objetivo replicar esta estructura utilizando pasta de cemento Portland y siloxano de polivinilo, un polímero altamente elástico.

Los investigadores crearon diferentes tipos de vigas alternando capas de láminas de pasta de cemento con capas delgadas de polímero de diferentes maneras. En una de ellas, utilizaron un láser para grabar ranuras hexagonales en algunas de las láminas de cemento. En otra variación, separaron completamente las tabletas hexagonales de pasta de cemento y las conectaron con la capa de polímero, imitando la estructura del nácar de forma más literal.

Propiedades extraordinarias

Cuando sometieron estas vigas a una prueba de flexión de tres puntos para medir su resistencia al agrietamiento y ductilidad, los resultados fueron sorprendentes. Las vigas de referencia —hechas de pasta de cemento sólido— se quebraron repentina y completamente al llegar a su punto de ruptura. Las vigas con capas alternas grabadas demostraron un rendimiento mucho mejor, pero las que tenían tabletas hexagonales completamente separadas mostraron resultados increíbles: ganaron la prueba con diferencia, demostrando 19 veces la ductilidad y 17 veces la resistencia a las fracturas de las vigas de cemento sólido.

Según Gupta, "esta sinergia entre los componentes duros y blandos es crucial para explicar las notables propiedades mecánicas del nácar". El grado de deslizamiento que obtienen las capas hexagonales bajo tensión es clave que el nácar disipe la energía y resista el agrietamiento, que fue precisamente lo que consiguió su material sintético.

Moini afirma que su foco en la inspiración biológica no se limita simplemente a imitar la microestructura de la naturaleza, sino que está centrado en descubrir los principios subyacentes y usarlos para diseñar nuevos materiales ‘mágicos’ como este nuevo cemento. Según el científico, "uno de los mecanismos clave que hace que una cáscara nacarada sea resistente es el deslizamiento de la tableta a nivel nanométrico. Aquí, nos centramos en el mecanismo de deslizamiento de la tableta mediante la ingeniería de la estructura tabulada incorporada de la pasta de cemento en equilibrio con las propiedades del polímero y la conexión entre ellos”. En otras palabras, afirma Moini, ‘diseñan’ intencionalmente los defectos de los materiales frágiles para poder hacerlos más fuertes en la fase de diseño.

El estudio todavía está en fase de laboratorio y requiere un mayor desarrollo para su uso práctico, pero los científicos están tan sorprendidos como excitados por su descubrimiento. “Sólo estamos arañando la superficie,” apunta Moini. “Habrá numerosas posibilidades de diseño para explorar y encontrar las propiedades del material duro y blando, las conexiones y los aspectos geométricos que juegan en los efectos sobre los materiales de construcción".

Los ingenieros autores de la investigación afirman que las aplicaciones potenciales de su nueva tecnología son vastas, ya que la resistencia a las grietas y la ductilidad mejoradas podrían aplicarse a una amplia gama de materiales cerámicos frágiles más allá del cemento, como el hormigón y la porcelana.