Cómo fabricar cerámica que se doble sin quebrarse

Nuevos materiales desarrollados en el MIT permitiría colocar solenoides en chips y dispositivos médicos auto-desplegables.

Cuando se le aplica una carga, la estructura molecular de una cerámica de circonio (austenite) se deforma (en su fase martensite) en lugar de quebrarse. Cuando se calienta, “recuerda” su forma original (Crédito: Lai et al./MIT)

La cerámica tiende a agrietarse bajo tensión. Pero los investigadores del MIT y la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur, han desarrollado una manera de hacer objetos minúsculos flexibles de cerámica, que tienen además “memoria” de su forma (cuando se dobla y luego se calienta, vuelven a su forma original).

El sorprendente descubrimiento se informó esta semana en la revista Science, en un artículo conjunto de Alan Lai, estudiante del MIT, el profesor Christopher Schuh y dos colaboradores en Singapur.

Los materiales con memoria de su forma, que pueden doblarse y luego regresar otra vez a su configuración original en respuesta a un cambio de temperatura, se conocen desde 1950, en metales y algunos polímeros, pero no en cerámica “, explica Schuh,  profesor de Metalurgia y jefe del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería del MIT.

El equipo logró este avance de dos maneras.

• Crearon objetos pequeños de cerámica, invisibles a simple vista: “Cuando haces las cosas pequeñas, son más resistentes a las grietas”, dijo Schuh.

• Hicieron que los granos de cristal individuales abarcaran la estructura a pequeña escala completa, removiendo los límites del tipo de grano de cristal donde es más probable que se produzcan grietas.

Esas técnicas dieron como resultado pequeñas muestras de material cerámico con deformabilidad equivalente a alrededor de 7 por ciento de su tamaño. “Por lo general, si doblas una cerámica en 1 por ciento, se romperá”, dijo Schuh. Sin embargo, estos diminutos filamentos, con un diámetro de sólo 1 micrómetro –una millonésima parte de un metro– se puede doblar en un 7 a 8 por ciento en varias ocasiones sin que se agriete, dice.

Fortaleza de cerámica, pero ductibilidad de metal

Estos materiales podrían ser herramientas importantes para los que desarrollan micro y nanodispositivos, tales como aplicaciones biomédicas, dice Schuh, como microactuadores para disparar acciones dentro de este tipo de dispositivos –como liberación de fármacos desde pequeños implantes, por ejemplo.

Comparado con los materiales utilizados actualmente en microactuadores, dice Schuh, la fuerza de la cerámica permitiría que se ejerza un empuje más fuerte en un microdispositivo.

La cerámica utilizada en esta investigación está hecha de circonio, pero las mismas técnicas pueden aplicarse para otros materiales cerámicos. El circonio es “una de las cerámicas mejor estudiadas”, dice Lai, y ya es ampliamente utilizada en ingeniería. También se utiliza en celdas de combustible, y es considerado un medio prometedor para proporcionar energía para vehículos, casas e incluso la red eléctrica. Aunque allí no se requiere elasticidad, la flexibilidad del  material lo haría más resistente a los daños.

El material combina algunas de las mejores cualidades de los metales y la cerámica, dicen los investigadores: Los metales tienen menor resistencia, pero son muy deformables, mientras que la cerámica tienen mucha más fuerza, pero casi no hay ductilidad –la capacidad de doblarse o estirarse sin romperse. La cerámica desarrollada, dice Schuh, tiene “la fuerza de la cerámica, y la ductilidad del metal”.

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