Cómo es el hormigón cinco veces más resistente que se inspira en los huesos humanos

En la búsqueda de crear materiales de construcción más resistentes y duraderos, un equipo de ingenieros de la Universidad de Princeton encontró inspiración en un modelo sorprendente: la capa externa del fémur humano, conocida como hueso cortical.

Este tejido óseo es reconocido por su capacidad de resistir fracturas y su tenacidad, y sirvió como guía para desarrollar un nuevo material a base de cemento, que es 5,6 veces más resistente a los daños que sus equivalentes convencionales.

Esta innovación no solo aumenta la resistencia del cemento, sino que también mejora su capacidad para evitar fallos catastróficos, lo que representa un avance significativo para la infraestructura civil. Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Advanced Materials.

El material está diseñado para resistir el agrietamiento de una manera más eficaz que el cemento tradicional, el cual tiende a romperse sin previo aviso. Este nuevo cemento, creado por el equipo liderado por Reza Moini, profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental, y Shashank Gupta, candidato a doctorado, utiliza una arquitectura interna basada en tubos elípticos y cilíndricos que imitan las osteonas del hueso humano.

La tenacidad de este cemento se incrementa considerablemente sin sacrificar la resistencia estructural, lo que lo hace ideal para aplicaciones en construcción e infraestructura civil. “Uno de los desafíos en la ingeniería de materiales de construcción frágiles es que fallan de manera abrupta y catastrófica”, aseguró Gupta al medio especializado Tech Xplore.

El mecanismo de interacción grieta-tubo es clave en la mejora de la resistencia del nuevo material desarrollado por los ingenieros de Princeton. Inspirado en la estructura del hueso humano, este material incorpora tubos huecos que interactúan con las grietas a medida que estas se propagan, creando un proceso de endurecimiento gradual.

Cuando una grieta comienza a extenderse, se encuentra con los tubos dentro de la pasta de cemento, lo que provoca una disipación de energía adicional en cada etapa de su avance. Este proceso no solo atrapa la grieta, sino que también retarda su expansión.

Este efecto se logra al optimizar la geometría, el tamaño, la forma y la orientación de los tubos, aseguraron tanto Europa Press como Tech Xplore. Aunque a primera vista se podría esperar que la incorporación de tubos huecos debilitaría la estructura, el equipo descubrió que, al ajustar estas características, se pueden mejorar una propiedad sin comprometer otra.

La interacción entre las grietas y los tubos genera un material mucho más tenaz, capaz de soportar un mayor nivel de estrés sin colapsar.

“Utilizamos principios teóricos de mecánica de fracturas y mecánica estadística para mejorar las propiedades fundamentales de los materiales ‘por diseño’”, explicó Moini según la agencia de noticias Europa Press. “Lo que hace que este mecanismo gradual sea único es que se controla la extensión de cada grieta, lo que evita un fallo repentino y catastrófico”, amplió Gupta.

Además de las mejoras, este cemento inspirado en el hueso humano tiene un enorme potencial para revolucionar el campo de la infraestructura civil. Debido a su capacidad, este nuevo material podría tener aplicaciones cruciales en la construcción de edificios, puentes y carreteras, donde la durabilidad y la seguridad estructural son fundamentales.

A diferencia de los métodos tradicionales, que refuerzan los materiales a base de cemento mediante la incorporación de fibras o plásticos, el enfoque del equipo de Princeton se basa en la optimización de la geometría interna del propio material, lo que elimina la necesidad de agregar otros componentes.

Además, el equipo está explorando la posibilidad de aplicar estos principios a otros materiales frágiles, ampliando su uso potencial en diferentes áreas de la construcción.

Según información de Europa Press, las nuevas técnicas de fabricación aditiva y el uso de robótica también juegan un papel importante en la precisión con la que se pueden construir estas arquitecturas internas, lo que podría facilitar la producción en masa de componentes de infraestructura civil a gran escala.