Ni sólido ni líquido: se llama PAM, redefine la ingeniería de materiales y abre nuevas puertas para la tecnología
Descubre los PAMs, un material innovador que combina propiedades de sólidos y líquidos, revolucionando la ingeniería de materiales y abriendo nuevas aplicaciones tecnológicas.
Ni sólido ni líquido: se llama PAM, redefine la ingeniería de materiales y abre nuevas puertas para la tecnología. Fuente: Midjourney / Caltech - PAM, hielo y agua
Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 28.01.2025
Un material que hace tambalear las definiciones tradicionales. En el laboratorio de Chiara Daraio, investigadora de Caltech, surgió un hallazgo inesperado: un material con un comportamiento que combina características de sólidos y líquidos. Bautizado como PAM (materiales arquitectónicos policateados), este desarrollo podría revolucionar áreas como la robótica, los dispositivos biomédicos o el equipo de protección personal. Lo fascinante no es solo su versatilidad, sino cómo fue diseñado y qué lo hace único.
El estudio, publicado en Science en enero de 2025, describe cómo los PAMs toman inspiración en estructuras históricas como la cota de malla medieval, pero con un giro moderno gracias a la impresión 3D. Este avance representa una nueva clase de materiales que no solo ofrecen soluciones prácticas, sino que también replantean conceptos básicos en la ciencia de los materiales.
¿Qué es un PAM?
PAM es el acrónimo de polycatenated architected materials (materiales arquitectónicos policateados). Estos materiales están compuestos por partículas interconectadas, como anillos o jaulas, organizadas en patrones tridimensionales. A diferencia de materiales sólidos tradicionales, las partículas no están rígidamente unidas, lo que les permite deslizarse unas sobre otras bajo ciertas condiciones, dándoles propiedades únicas.
Un aspecto importante de los PAMs es su estructura híbrida, que combina elementos de materiales cristalinos y granulares. Mientras que los cristales tradicionales tienen partículas organizadas de forma fija, en los PAMs las partículas pueden moverse y reorganizarse, imitando el flujo de materiales como la arena. Esta capacidad les permite adaptarse a diferentes tipos de estrés físico, algo que los diferencia de otros materiales conocidos.
Por otra parte, los investigadores han destacado que los PAMs no solo ofrecen un comportamiento dinámico, sino que también son altamente personalizables. Según el diseño de sus partículas y su disposición en la red, es posible ajustar sus propiedades físicas para que respondan de manera específica a diversas aplicaciones tecnológicas.
Ejemplos de las geometrías tridimensionales que pueden tener los materiales, en este caso con partículas en forma de octaedros y cuboctaedros unidos de diversas maneras. Fuente: Wenjie Zhou.
Propiedades únicas
Los PAMs destacan por su capacidad de adaptarse a las fuerzas que se les aplican. Cuando se comprimen, se comportan como un sólido rígido, pero al aplicar una fuerza de cizalla, fluyen como un líquido. Este comportamiento, conocido como respuesta no newtoniana, es ajustable dependiendo de la configuración del material.
El equipo de Caltech realizó experimentos para medir cómo estos materiales responden a esfuerzos de compresión, cizalla y torsión. Durante las pruebas, se observó que los PAMs tienen "grados de libertad coordinados", permitiendo que sus partículas deslicen y roten libremente bajo ciertos estímulos. Según el investigador Wenjie Zhou, esta flexibilidad interna es la clave detrás de su comportamiento híbrido entre sólido y líquido.
Un ejemplo visual de este fenómeno es un PAM en forma de gota, que al aplicarse fuerza lateral fluye como si fuera miel o agua, pero que bajo presión vertical se endurece como un bloque sólido. Este tipo de respuesta ajustable lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones donde se necesite combinar rigidez estructural con adaptabilidad.
Los PAMs también ofrecen una absorción de energía excepcional. Sus partículas interconectadas disipan la energía de manera eficiente, lo que los hace ideales para dispositivos que necesitan soportar impactos o vibraciones constantes. Este comportamiento único podría reemplazar materiales como las espumas actuales en productos de protección o embalaje.
PAM, en su estado granular, adopta la forma de una gota de agua o miel. Fuente: Wenjie Zhou.
Métodos de fabricación: impresión 3D y más
Uno de los aspectos más innovadores de los PAMs es cómo se fabrican. Los investigadores utilizaron impresoras 3D avanzadas para crear redes tridimensionales de partículas interconectadas. Se emplearon materiales como polímeros acrílicos, nylon y metales, dependiendo de las propiedades que se quisieran obtener en cada prototipo.
El proceso comienza con un modelado computacional de alta precisión. Cada partícula se diseña para que encaje perfectamente con las demás, creando una estructura con múltiples grados de libertad. Esto permite que los PAMs mantengan su capacidad de moverse o fluir sin perder la cohesión general de la red.
Por otra parte, los investigadores lograron escalar las muestras desde estructuras microscópicas hasta objetos visibles al ojo humano, como cubos de 5 cm. Esta escalabilidad demuestra el potencial práctico de los PAMs para aplicaciones tanto en dispositivos pequeños como en estructuras más grandes.
Las impresoras 3D son una herramienta fundamental en la ingeniería de materiales. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Un abanico de aplicaciones
La versatilidad de los PAMs abre un abanico de aplicaciones prácticas. Por ejemplo, sus propiedades de absorción de energía y adaptabilidad estructural los convierten en excelentes candidatos para equipos de protección, como cascos o chalecos antibalas. También podrían usarse en dispositivos médicos, donde su capacidad de reconfiguración facilitaría el diseño de implantes más eficaces.
Los experimentos también han demostrado que los PAMs responden a cargas eléctricas, expandiéndose o contrayéndose según el estímulo. Esto sugiere un gran potencial en la robótica blanda, donde podrían emplearse para crear materiales que se adaptan dinámicamente a las necesidades del entorno.
Otra posible aplicación es en empaques y sistemas de amortiguación. Gracias a su capacidad de disipar energía, los PAMs podrían sustituir materiales como el poliestireno en embalajes sensibles. También se considera su uso en entornos extremos, como estructuras aeroespaciales, donde las condiciones cambiantes requieren materiales con respuestas dinámicas.
Por último, los investigadores destacan que la personalización de los PAMs permite diseñar soluciones específicas para cada problema. Desde microdispositivos hasta estructuras arquitectónicas, este material tiene el potencial de cambiar radicalmente la forma en que abordamos la fabricación y el diseño.
La introducción de los PAMs representa un cambio de paradigma en la ingeniería de materiales. Como explica Daraio, "estos materiales llenan un vacío entre los materiales granulares y los sólidos deformables, creando un nuevo campo de estudio que podría redefinir cómo entendemos la materia".
El equipo de investigación sugiere que, con tecnologías como la inteligencia artificial, sería posible acelerar el diseño y optimización de estas estructuras. Esto abriría la puerta a aplicaciones que hoy parecen ciencia ficción, marcando un antes y un después en el diseño de materiales.
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Referencias
Wenjie Zhou, Sujeeka Nadarajah, Liuchi Li, Anna Guell Izard, Hujie Yan, Aashutosh K. Prachet, Payal Patel, Xiaoxing Xia y Chiara Daraio. 3D polycatenated architected materials. Science, 16 enero 2025. DOI: 10.1126/science.adr9713.
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