Las varillas de metamateriales altamente retorcidas almacenan grandes cantidades de energía
El modelo muestra la deformación helicoidal del metamaterial. Gracias a este mecanismo, almacenar una gran cantidad de energía es posible sin roturas. Crédito: iam, kit / collage: anja sefrin, kit
Un equipo de investigación internacional coordinado en Kit (Instituto de Tecnología Karlsruhe) ha desarrollado metamateriales mecánicos con una alta densidad de energía elástica. Las varillas altamente retorcidas que se deforman helicamente proporcionan a estos metamateriales una rigidez alta y les permiten absorber y liberar grandes cantidades de energía elástica. Los investigadores realizaron experimentos de compresión simples para confirmar los resultados teóricos iniciales. Sus hallazgos han sido publicados en la revista Nature.
Se requiere el almacenamiento de energía mecánica para muchas tecnologías, incluidos los resortes para absorber energía, amortiguadores para el almacenamiento de energía mecánica o estructuras flexibles en robótica o máquinas de eficiencia energética. La energía cinética, es decir, la energía de movimiento o el trabajo mecánico correspondiente, se convierte en energía elástica de tal manera que se pueda volver a liberar completamente cuando sea necesario.
La característica clave aquí es la entalpía: la densidad de energía que se puede almacenar y recuperar de un elemento del material. Peter Gumbsch, profesor de mecánica de materiales en el Instituto de Materiales Aplicados de Kit (IAM), explica que lograr la entalpía más alta posible es un desafío: “La dificultad es combinar propiedades conflictivas: alta rigidez, alta resistencia y gran tensión recuperable”.
Bordeado quiral inalcanzado basado en haz de ancho plano. En este modelo, la rotación ocurre bajo compresión moderada, pero se detiene o se invierte al doblar el pandeo del haz plano. Crédito: Naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-08658-z
Arreglo inteligente de varillas deformadas helicoidales en metamateriales
Los metamateriales son materiales diseñados artificialmente que no ocurren en la naturaleza. Se ensamblan a partir de unidades definidas individualmente para que se puedan mejorar sus propiedades de material efectivas. Gumbsch, quien también dirige el Instituto Fraunhofer para Mecánica de Materiales IWM en Friburgo, y su equipo de investigación internacional con miembros de China y Estados Unidos ahora ha logrado desarrollar metamateriales mecánicos con una alta densidad de energía elástica recuperable.
“Al principio, detectamos un mecanismo para almacenar una gran cantidad de energía en una varilla redonda simple sin romperla o deformarla permanentemente”, dice Gumbsch. “Al definir una disposición inteligente de las barras, integramos este mecanismo en un metamaterial”.
Los científicos comparan este mecanismo con un resorte de flexión clásico, cuya deformación máxima está limitada por las tensiones de alta tensión y compresión que ocurren en sus superficies superior e inferior y conducen a la rotura o la deformación plástica permanente. En tal resorte de flexión, las tensiones en todo el volumen interno son muy bajos.
Sin embargo, si una varilla se tuerce en su lugar, toda su superficie también está expuesta a altas tensiones, pero el volumen interior con tensiones bajas es considerablemente más pequeña. Para aprovechar este mecanismo, la torsión debe ser tan alta que resulte en una compleja deformación de pandeo helicoidal.
La entalpía es de 2 a 160 veces más alta que en otros metamateriales
Los investigadores lograron integrar tales varillas cargadas torsionalmente y deformadas helicoidales en un metamaterial que puede usarse macroscópicamente bajo cargas uniaxiales. Las simulaciones les ayudaron a predecir que el metamaterial tendría una alta rigidez y, por lo tanto, podría absorber grandes fuerzas. Además, su entalpía es de 2 a 160 veces más alta que la de otros metamateriales. Para confirmar esto, el equipo realizó experimentos de compresión simples en varios metamateriales con estructuras quirales reflejadas.
“Nuestros nuevos metamateriales con su alta capacidad de almacenamiento de energía elástica tienen el potencial de usarse en varias áreas en el futuro donde se requieren un almacenamiento de energía eficiente y propiedades mecánicas excepcionales”, dice Gumbsch.
Las aplicaciones concebibles además del almacenamiento de energía basado en primavera incluyen absorción de choque o amortiguación, así como estructuras flexibles en robótica o en máquinas de eficiencia energética. Alternativamente, los giros que ocurren dentro de los metamateriales pueden usarse para articulaciones puramente elásticas.
Más información: Xin Fang et al, Gran energía elástica recuperable en metamateriales quirales a través de paneles de pandeo, naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-08658-z
Proporcionado por el Instituto de Tecnología Karlsruhe
Cita: las varillas de metamateriales altamente retorcidas almacenan grandes cantidades de energía (2025, 1 de abril) Recuperado el 1 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-highly-metamaterial-rods-large-amounts.html
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