Cómo mejorar a las abejas con fractales

Las estructuras en forma de hexágono de los paneles de abeja, como las que se encuentran en las colmenas, son conocidas, entre otras cosas, porque presentan unas características mecánicas notables, como una rigidez extremadamente alta en relación a su densidad. Un grupo de investigadores, encabezados por Ramin Oftadeh, de la Northeastern University (EE.UU.), demuestra que las propiedades mecánicas de estos paneles uniformes pueden ser aún mejores si se añaden distintos niveles jerárquicos para terminar formando materiales fractales.

Estos resultados, que se publican en Physical Review Letters, proporcionan una ruta fácil para mejorar y afinar el rendimiento de materiales cambiando detalles de su estructura hexagonal, algo que cada vez es más fácil de conseguir con el uso de impresoras 3D.

Para formar los materiales Oftadeh y colaboradores partieron de una idea de lo más simple: sustituir cada vértice en el que confluían tres aristas de una red de hexágonos base por un hexágono. El proceso se repetía una y otra vez con hexágonos cada vez menores hasta alcanzar el orden jerárquico deseado.

Los investigadores modularon la densidad del conjunto simplemente alterando el grosor de las paredes de los hexágonos. Usando simulaciones numéricas como guía, realizaron experimentos consistentes en crear un conjunto de estructuras impresas en 3D de materiales con distintas densidades y jerarquías.

Las propiedades elásticas del material variaban con cada cambio de kla estructura.

Los autores estudiaron cómo las propiedades mecánicas como el módulo elástico (la resistencia del material a la deformación) variaban en función de distintos parámetros. Encontraron que, para una densidad dada, el módulo elástico aumentaba significativamente al incrementar el orden jerárquico hasta alcanzar un punto de saturación, a partir del cual ya no mejoraba más. Pero más sorprendente aún fue otro hallazgo: para un orden jerárquico dado, el módulo también se incrementaba conforme menor era la densidad.

Los paneles fractales llegan a obtener módulos más de 20 veces mayores que los paneles de abeja sin jerarquía en la estructura. Usando estos resultados los autores han sido capaces de hacer predicciones de cuál sería la estructura óptima necesaria, desde el punto de vista de actuación del material, para maximizar la fortaleza para una densidad de material dada.

Quizá los materiales del futuro sean los mismos de ahora pero reordenados.

Resultados como este nos llevan a pensar que quizás las naves de los relatos de ciencia ficción no estén hechas con aleaciones extrañas superresistentes, sino con los materiales de siempre construidos de otra manera. Como lo hacen las abejas, sólo que mejor.

Referencia: Ramin Oftadeh, Babak Haghpanah, Dominic Vella, Arezki Boudaoud, and Ashkan Vaziri (2014) Optimal Fractal-Like Hierarchical Honeycombs Phys. Rev. Lett. 113, 104301 DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.104301 

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.