A veces, la ciencia no necesita recurrir a la ficción para sorprendernos. Basta con mirar de cerca lo que ocurre cuando se comprime una varilla y, en lugar de doblarse como esperas, se retuerce hasta formar una especie de espiral. Eso fue lo que notaron los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), en Alemania, cuando observaron que ciertas estructuras, al ser comprimidas, no solo resistían la fuerza, sino que la almacenaban de forma sorprendentemente eficiente. Como si fueran resortes diseñados en una dimensión superior.
Lo más asombroso es que no estamos hablando de materiales nuevos en sí, sino de cómo se organizan y deforman elementos comunes, como varillas cilíndricas, para formar metamateriales con propiedades fuera de lo ordinario. El estudio, publicado en Nature bajo el título “Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling”, describe cómo un diseño estructural novedoso permite que estas varillas almacenen entre 2 y 160 veces más energía que otros metamateriales existentes. Todo gracias a un fenómeno bautizado como “torsión helicoidal” o twist buckling.
Un resorte que no se rompe (ni se deforma)
Cuando comprimimos un resorte clásico, lo que ocurre es previsible: se aplasta, se deforma y, si la fuerza es excesiva, se rompe o no vuelve a su forma original. Esto se debe a que las tensiones se concentran en ciertas zonas, especialmente en los extremos, lo que limita la cantidad de energía que puede almacenar antes de fallar. En cambio, lo que han conseguido los autores del estudio es diseñar una estructura en la que esas tensiones se distribuyen de forma diferente.
El truco está en la torsión. En lugar de simplemente comprimirse, las varillas que forman el metamaterial comienzan a retorcerse como hélices, lo que produce una deformación tridimensional mucho más estable. Según los investigadores, esta “deformación por pandeo torsional” permite incorporar cuatro modos distintos de deformación: flexión en el plano, flexión fuera del plano, torsión y compresión axial. Al combinarse, generan una capacidad de almacenamiento energético muy superior.
Tal como explican los autores, estos modos de deformación almacenan una cantidad considerable de energía adicional con un impacto mínimo en las tensiones máximas que definen la falla del material.
La clave está en la entalpía
Un concepto importante en este contexto es la entalpía elástica, es decir, la cantidad de energía que puede almacenar y recuperar un material deformado. Para los investigadores, el reto consistía en lograr alta rigidez, gran resistencia y deformación recuperable en una misma estructura, algo que hasta ahora parecía contradictorio. Los materiales rígidos suelen romperse con facilidad, mientras que los flexibles no suelen almacenar mucha energía.
El equipo utilizó simulaciones numéricas y modelos analíticos para comprobar que sus diseños podían cumplir con esos requisitos. Después, fabricaron varios prototipos usando impresión 3D y materiales como goma y aleaciones metálicas. En las pruebas de compresión, los metamateriales torsionales superaron con creces a los diseños tradicionales en términos de almacenamiento de energía y resistencia.
El artículo afirma que “el metamaterial quiral no optimizado mantiene una alta rigidez, soporta una deformación recuperable mayor, mejora la resistencia al pandeo de 5 a 10 veces y aumenta la entalpía entre 2 y 160 veces respecto a otras estructuras”.
Torsión, simetría y diseño inteligente
Para entender mejor cómo funcionan estos metamateriales, hay que fijarse en la estructura básica de sus unidades, llamadas metaceldas. Cada una de ellas está formada por dos anillos (tori) conectados por un número determinado de varillas oblicuas. En reposo, los anillos están girados uno respecto al otro. Al aplicar una fuerza de compresión, se produce una rotación relativa entre ellos, lo que induce la torsión en las varillas.
El fenómeno de twist buckling no se da en cualquier estructura, sino que requiere una disposición específica de los elementos, donde se aprovecha la quiralidad—es decir, que la estructura no sea superponible con su imagen especular—para inducir la torsión deseada. Esta estrategia, según los autores, permite “el acoplamiento entre la compresión axial y la torsión global”, lo que da lugar a las propiedades mecánicas mejoradas.
Otro detalle interesante es que estas metaceldas se pueden ensamblar en estructuras mayores, manteniendo su comportamiento individual sin necesidad de mecanismos externos. Esto facilita su escalado y aplicación práctica.
Más allá de los laboratorios
El potencial de estos materiales va más allá de su originalidad estructural. Según los autores, podrían emplearse en múltiples campos: almacenamiento de energía mecánica, amortiguadores de impacto, uniones elásticas y estructuras robóticas que requieran flexibilidad con resistencia. También podrían integrarse en dispositivos que necesiten absorber vibraciones o cargas dinámicas sin comprometer su forma ni integridad.
En las pruebas experimentales, los metamateriales torsionales lograron 7,5 veces más resistencia al pandeo que los diseños convencionales de alta rigidez, y superaron en hasta 167 veces la entalpía de otras configuraciones como las redes de tensoestructuras o los trusses Kelvin.
Además, los resultados fueron consistentes en modelos fabricados con materiales blandos como el caucho y con metales como la aleación de titanio TC4, lo que refuerza su aplicabilidad industrial. Incluso tras ciclos repetidos de compresión, las muestras de goma conservaron su capacidad de almacenamiento energético sin deformaciones permanentes.
En el artículo se señala que “el metamaterial quiral logra 5–10 veces más resistencia al pandeo y hasta 160 veces más entalpía que los metamateriales no quirales, dentro del límite de resistencia del material”.
¿Una nueva generación de estructuras?
Lo que diferencia a este avance de otros en el campo de los metamateriales no es solo la mejora en las propiedades mecánicas, sino la forma de alcanzarlas. Aquí no se trata de cambiar los materiales base, sino de reconfigurar su arquitectura interna para obtener un rendimiento que parecía reservado a estructuras complejas o sistemas activos.
Estos metamateriales torsionales no necesitan motores ni sensores, solo una buena geometría. Esa simplicidad los hace especialmente atractivos para aplicaciones donde el peso, la durabilidad y el coste son factores clave, como en el sector aeroespacial, la robótica blanda o el diseño de prótesis mecánicas.
También abren la puerta a nuevos dispositivos de almacenamiento de energía mecánica que funcionen sin baterías ni componentes electrónicos, aprovechando solo las propiedades elásticas de la materia. Esto podría tener un gran impacto en entornos donde la fiabilidad y la autonomía son esenciales.
Como resumen del hallazgo, los autores subrayan que “nuestros hallazgos identifican un mecanismo y proporcionan una visión para el diseño de metamateriales y estructuras con alta capacidad de almacenamiento de energía mecánica”.
Referencias
- Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen, Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao y Peter Gumbsch. Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling. Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-08658-z
Cortesía de Muy Interesante
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