Por Amador Chapa, Pedro Urbina y Kike Cuan. 

25-09-2023

¿Quieres saber qué tipo de pruebas hacemos a los metamateriales en nuestro laboratorio? ¡Quédate y te lo mostramos!

En entradas anteriores aprendimos que las propiedades mecánicas nos describen el comportamiento de un material o estructura y el obtenerlas nos ayuda para su estudio y aplicaciones. Esto se puede lograr por medio de las llamadas pruebas mecánicas de laboratorio, donde las estructuras celulares son sometidas a distintos tipos de condiciones para medir su resistencia en diferentes escenarios controlados. Criterios como la velocidad de la prueba, temperatura del ambiente, tamaño de la muestra y unidades de medición, se encuentran definidas en procesos estandarizados distintos dependiendo del tipo de prueba y material de las muestras. Desafortunadamente, los metamateriales o estructuras celulares NO cuentan con estándares en pruebas mecánicas para medir sus propiedades. Esto se debe a que cada material celular tiene una estructura interna particular, siendo complicado proponer una técnica general para probarlos a todos. La experiencia propia y de otros investigadores va dictando la manera en que se estudian los metamateriales. 

Las pruebas mecánicas más comunes que hacemos en nuestro LABORATORIO DE METAMATERIALES son las pruebas de tensión, compresión, flexión, torsión, impacto y fatiga. A continuación, te platicamos brevemente sobre la importancia de cada una de ellas:

La prueba de tensión (o de tracción) es una técnica donde las estructuras celulares son estiradas hasta que se rompen. Esta prueba tiene dos objetivos principales: (1) conocer la relación fuerza-desplazamiento, es decir, observar como se va estirando la muestra y cuántos milímetros se desplaza dependiendo de la fuerza que se le aplica; (2) Definir la resistencia a la ruptura para saber con cuánta fuerza (y esfuerzo) hay que estirar para romperla. Este tipo de pruebas es recomendable cuando además se busca saber la relación de Poisson, por ejemplo en el gif aquí debajo se puede ver que la estructura al ser estirada se expande en el ejer perpendicular! esto es porque es mágica (su relación de Poisson es negativa). Si quieres saber más puedes leer el artículo científico de Oscar Ochoa (estudiante de Maestría en Ciencias) aquí. 

La prueba de compresión estudia el comportamiento de una estructura celular ante cargas de aplastamiento aplicadas. Esta técnica sirve principalmente para: (1) observar su modo de deformarse, lo que nos dice la resistencia y estabilidad de la estructura; (2) Medir propiedades mecánicas tales como el módulo de elasticidad, límite elástico y resistencia a la compresión. Este tipo de prueba es muy común cuando además se busca medir la cantidad de energía que absorbe la estructura, para saber más pueden leer mi artículo aquí.

La prueba de flexión se realiza con un dispositivo de flexión de tres o cuatros puntos. Una ventaja es la facilidad de preparación y prueba de la muestra. Esta técnica nos permite conocer el módulo de elasticidad a la flexión de nuestros diseños de estructuras celulares. En este link podrás consultar el trabajo científico del Dr. Enrique Cuán y Alberto Álvarez (estudiante de doctorado), donde realizan pruebas de flexión a metamateriales.

La prueba de torsión mide las propiedades de una estructura celular que se encuentra bajo torsión por el desplazamiento angular. Las propiedades mecánicas más comúnmente medidas mediante las pruebas de torsión son: el módulo de elasticidad en cizallamiento, resistencia al cizallamiento y la ductilidad (propiedad para transformarse en alambre).

La prueba de impacto se aplica en estructuras celulares para medir su tenacidad (capacidad para acumular energía durante un choque). Dichos ensayos son muy interesantes y útiles porque nos ayudan a entender su comportamiento cuando son golpeadas a distintas velocidades; esto nos permite definir su alcance y proponer una aplicación apta. Una estructura celular que resista impactos leves puede ser funcional en la suela de un tenis, pero no como relleno de protección en el parachoques de una camioneta.  Para conocer más, puedes consultar este artículo científico donde investigadores de la Universidad Metropolitana de Manchester (MMU) realizan pruebas de impacto en estructuras celulares para aplicaciones en equipo deportivo (son expertos en el tema)... ¡muy interesante! Pulsa aquí para leerlo. 

La prueba de fatiga consiste en someter un material o estructura a un conjunto de ciclos de carga y descarga hasta que haya un deterioro notable o se rompa. El número de ciclos normalmente es bastante grande (entre mil y un millón). Esta prueba de ensayo nos ayuda a predecir las fuerzas que soporta una estructura y el número de veces que puede ser deformada sin modificarse notablemente sus propiedades mecánicas. El Dr. Oliver Duncan, profesor-investigador de la MMU nos comparte un video de como son las pruebas de fatiga en estructuras celulares flexibles. Consulta la publicación completa en este link. 

Antes de irnos, recuerden:

Las pruebas mecánicas son técnicas que podemos realizar en un laboratorio para conocer el comportamiento y propiedades de nuestros metamateriales mecánicos. Es importante identificar qué propiedades mecánicas queremos estudiar, esto nos ayudará a elegir la prueba ideal para conseguirlo (tensión, compresión, flexión, torsión, impacto, fatiga). A pesar de que no hay métodos estandarizados para estructuras celulares, revisar las normas internacionales en pruebas similares puede ser de gran utilidad para su estudio. 

Es todo por ahora, nos vemos pronto.

¡Cambio y fuera!

Sobre los autores:

Amador Chapa: estudiante de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en diseño y pruebas a metamateriales mecánicos para aplicaciones deportivas.

Pedro Urbina: profesor-investigador en industria 4.0 y gemelos digitales.

Kike Cuan: profesor-investigador en diseño mecánico de metamateriales y mecanismos.