Investigadores de la Universidad de Princeton han desarrollado un nuevo compuesto de cemento altamente versátil, inspirado en los materiales presentes en las conchas de ostras y abulón. Este innovador diseño imita la estructura de ladrillo y mortero de las conchas, mejorando la durabilidad mediante la promoción de deformación inelástica y un endurecimiento jerárquico.
El material recién desarrollado es 19 veces más flexible, puede estirarse sin romperse y es 17 veces más resistente a las grietas en comparación con el cemento convencional. Estos resultados podrían eventualmente mejorar la resistencia a las grietas en varios materiales cerámicos frágiles, como la porcelana y el cemento.
A diferencia de materiales como el vidrio, la madera y el acero, el cemento es frágil y poco flexible sin fibras y refuerzos. Estas limitaciones restringen su uso en aplicaciones estructurales. Diversos métodos se han intentado para mejorar la baja resistencia a la fractura y la ductilidad del cemento, añadiendo refuerzos poliméricos, de vidrio o metálicos a los compuestos cementosos. Sin embargo, estos enfoques solo logran aumentos modestos en la absorción de energía y la resistencia a la fractura, generalmente a costa de alterar directamente la microestructura de los materiales.
El equipo de Princeton encontró que alternar capas delgadas de polímero y pasta de cemento patrón puede mejorar significativamente la ductilidad, es decir, la capacidad de flexionarse sin romperse. Inspirándose en la nácar, una sustancia natural presente en algunas conchas, crearon un compuesto que imita su estructura tridimensional de ladrillo y mortero.
El nácar está compuesto por tabletas hexagonales del mineral aragonito unidas a nivel microscópico por un biopolímero flexible. Esta estructura permite que las tabletas se deslicen y el biopolímero se deforme, absorbiendo energía y mejorando la resistencia. Estos mecanismos, junto con las nanoasperezas y el entrelazado de tabletas, hacen que el nácar sea resistente a pesar de sus componentes frágiles.
Utilizando materiales de construcción comunes como la pasta de cemento Portland y una pequeña cantidad de polímero, los investigadores de Princeton crearon compuestos novedosos inspirados en el nácar. Alternaron capas de hojas de pasta de cemento con poli(dimetilsiloxano), un polímero altamente flexible, produciendo vigas diminutas de múltiples capas.
Para evaluar la resistencia a las grietas, cada una de estas vigas se sometió a una prueba de flexión en tres puntos con muesca. Se crearon tres tipos de vigas: la primera con capas alternas de hojas de pasta de cemento y polímero delgado; la segunda con surcos hexagonales grabados con láser en las hojas de cemento apiladas con capas de polímero; y la tercera con tabletas hexagonales de cemento completamente separadas unidas por polímero, imitando el nácar. Estas fueron comparadas con una referencia de pasta de cemento sólido.
Los resultados mostraron que estos compuestos imitan los mecanismos de deslizamiento de tabletas y absorción de energía del nácar. Los compuestos separados tipo nácar tuvieron una resistencia a la fractura 17 veces mayor y una ductilidad aumentada en un 1791% en comparación con el cemento sólido.
Los mecanismos de endurecimiento incluyen la deformación entre capas, la propagación tortuosa de grietas y el deslizamiento de tabletas. Usando procesamiento con láser e intercapas elásticas, este enfoque mejora significativamente las propiedades mecánicas del cemento, reduciendo los riesgos de falla.
