El proyecto de la naturaleza para un cemento resistente a las fracturas

Las espinas de los erizos de mar están hechas en su mayor parte de calcita, que suele ser un material muy frágil y quebradizo. En el caso del erizo de mar, sin embargo, las espinas son mucho más duraderas que la materia prima sola. La razón de su solidez es la forma en que la naturaleza optimiza los materiales utilizando una arquitectura de paredes de ladrillo. El equipo de investigación Química Física, dirigido por el profesor Helmut Cölfen, sintetizó con éxito el cemento a nivel nanométrico según este "principio de ladrillo y mortero". Durante este proceso, se identificaron macromoléculas que asumen la función de mortero, fijando los bloques cristalinos entre sí a escala nanométrica, con los bloques ensamblándose de forma ordenada. El objetivo es hacer que el cemento sea más duradero.

"Nuestro cemento, que es significativamente más resistente a las fracturas que cualquier otro que se haya desarrollado hasta ahora, nos ofrece posibilidades de construcción completamente nuevas", añade Cölfen. Un pilar hecho de este cemento podría construirse a 8.000 metros de altura, o diez veces más alto que el actual edificio más alto del mundo, antes de que el material de su base fuera destruido por su peso. El acero normal, que tiene un valor de 250 megapascales, sólo podía alcanzar los 3.000 metros de altura.

En nanociencia, la arquitectura murales de ladrillo se puede comparar con el trabajo de un albañil: cada capa de ladrillo que se coloca se mantiene en su lugar con mortero. El principio rector es aplicar capas de materiales duros, luego blandos, duros y luego blandos. Este es exactamente el principio que la naturaleza utiliza para hacer que las espinas de los erizos de mar sean tan resistentes. Cuando se aplica fuerza a la frágil calcita, su bloque cristalino se agrieta, sin embargo, la energía se transfiere a una suave capa desordenada. Debido a que este material no tiene planos de escisión para desgarrarse, evita que se agriete más. Una delgada sección de la columna vertebral del erizo de mar revela este principio estructural: los bloques cristalinos en una estructura ordenada están rodeados por un área amorfa más suave. En el caso del erizo de mar, este material es carbonato de calcio.

Las conchas de mejillón o los huesos se construyen de manera muy parecida. "Nuestro objetivo es aprender de la naturaleza", dice Helmut Cölfen. Biónica o biomimética es el término utilizado para emplear fenómenos naturales para inspirar el desarrollo técnico.

El cemento en sí tiene una estructura desordenada - cada componente se adhiere a todos los demás. Esto significa que para que el cemento se beneficie realmente de la mayor estabilidad proporcionada por la construcción de ladrillo y mortero, su estructura tendrá que ser reorganizada a nivel nanométrico. Helmut Cölfen describe el proceso como "codificación de la resistencia a la fractura a nivel nanométrico". En este caso, significa identificar un material que se adhiere sólo con nanopartículas de cemento y nada más en el cemento. Se identificaron cerca de diez combinaciones de péptidos cargados negativamente que se adhieren y adhieren bien a los materiales.

En colaboración con la Universidad de Stuttgart, el equipo pudo utilizar un haz de iones bajo un microscopio electrónico para cortar una microestructura en forma de barra del cemento nanoestructurado de tres micrómetros de tamaño. Esta microestructura se dobló con un micro-manipulador. En cuanto se liberó, la microestructura volvió a su posición original. Los valores mecánicos pueden calcularse a partir de la deformación elástica de la microestructura. Basándose en estos cálculos, el cemento optimizado alcanzó un valor de 200 megapascales. En comparación: Las conchas de mejillón, que son el estándar de oro en resistencia a la fractura, alcanzan un valor de 210 megapascales, que es sólo ligeramente superior. El concreto comúnmente usado hoy en día tiene un valor de dos a cinco megapascales.

Las espinas de los erizos y las conchas de los mejillones están hechas de calcita, porque hay grandes cantidades de calcio disponibles en el agua. Helmut Cölfen explica: "La gente tiene mejores materiales de construcción que la calcita. Si conseguimos diseñar las estructuras de los materiales y reproducir los planos de la naturaleza, también podremos producir materiales mucho más resistentes a las fracturas, materiales de alto rendimiento inspirados en la naturaleza".