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Cuando Peter Williams aprobó el semestre pasado 2.002 (Mecánica y Materiales II), ganó un trofeo cuya altura es aproximadamente igual al ancho de tres cabellos humanos. En lugar de sentirse agraviado por su pequeño premio, el estudiante de último año de ingeniería mecánica lo vio como un premio apropiado para una competencia en la que se le pidió a él y a sus compañeros de clase que diseñaran un material a nanoescala que pudiera resistir la compresión.
El desafío de diseño representa una nueva parte innovadora de la clase de pregrado sobre las propiedades mecánicas de los materiales. Si bien 2.002 tradicionalmente incluye experimentos de laboratorio clásicos, el profesor Carlos Portela quería brindarles a los estudiantes una experiencia práctica de investigación en la emocionante frontera de su campo.
«El objetivo no era solo exponer a los estudiantes a conceptos de vanguardia en nanotecnología, nanomecánica y metamateriales, sino, lo que es más importante, que tuvieran el control de esta experiencia», dice Portela, profesor asistente de desarrollo profesional de Arbeloff en el Departamento de Ingeniería Mecánica en el MIT. “Estábamos convencidos de que un desafío de diseño, en el que los estudiantes inventaran nuevos diseños 3D de metamateriales, observaran y participaran en los procesos de fabricación y caracterización, y organizaran una competencia amistosa contra sus compañeros, lograría este objetivo”.
El desafío de diseño llevó a los estudiantes a un laboratorio en las instalaciones de clase mundial MIT.nano, un ambiente tan delicado que todos los que ingresan deben cubrirse primero de pies a cabeza para tratar de evitar que entre el más mínimo grano de polvo. Su misión era simple: diseñar el cubo microscópico más resistente a la compresión posible con un material que tocara todos los lados del cubo pero que solo llenara el 20 % del volumen total. Los materiales se fabricaron con una impresora 3D que proyecta un láser sobre la resina para crear estructuras precisas de alta resolución.
“Pudimos diseñar metamateriales a microescala [materials designed to have certain mechanical behaviors] y obtener algunas ideas y descubrimientos realmente geniales a partir de eso”, dice Williams, y agrega que disfruta la experiencia de trabajar en “las preguntas que los científicos reales se están haciendo en este momento”.
Para su propuesta ganadora, Williams se basó en un principio de diseño que había aprendido antes de enfrentarse a 2.002. Llamándolo un «camino claro hacia la victoria», dispuso su nanomaterial en un perfil bidimensional que se asemeja a paredes verticales.
“Si tiene algún tipo de estructura de entramado, no será tan bueno como si el material estuviera soportado directamente por el material debajo. No se puede colocar el mismo material en diagonal y esperar que sea tan resistente”, dice Williams. “Soy muy bueno en CAD, y es un diseño muy simple. Los más complicados no funcionaron.
Senior Allison King diseñó su hardware usando hexágonos, que también se sabe que resisten muy bien la compresión. El hardware de King quedó en segundo lugar y, aunque estaba un poco decepcionada por no haber ganado el trofeo casi invisible, expresa una gran emoción por haber participado en la competencia y experimentado el laboratorio MIT.nano.
«Entraste al laboratorio y te diste cuenta en ese momento de que, guau, el MIT es un lugar genial», dijo King. «La gente está literalmente empujando los límites de la ingeniería justo delante de ti y ahora mismo».
King dice que estaba «al borde de mi asiento» porque su material, que se hizo visible bajo un microscopio electrónico, se mostró en un monitor mientras se comprimía.
“Me gusta el lado del diseño de la ingeniería mecánica y la capacidad de probar hipótesis”, dice. «Entonces, tener mucha libertad, como, ‘Oye, ve a diseñar lo que quieras y mira si funciona’, en realidad aprovecha las habilidades y la capacitación que hemos aprendido para ver si realmente podemos construir un producto».
Si bien el desafío de diseño fue divertido y emocionante para los estudiantes, el proceso en el que participaron tiene profundas implicaciones, dice Portela. Se pueden crear nanomateriales para que tengan propiedades mecánicas, térmicas e incluso electrónicas «exóticas», dice. La cerámica se puede hacer para que parezca caucho, los metales se pueden reforzar y el vidrio puede volverse extremadamente duradero. Las nanoestructuras también se pueden hacer para interactuar con la luz, el sonido o los electrones.
“Los materiales de nanoingeniería tienen el potencial de abordar desafíos sociales y técnicos no resueltos, ya que permiten combinaciones de propiedades que ningún material existente podría lograr. La capacidad de producir materiales que posean nanoestructuras en grandes volúmenes podría impactar en una variedad de campos”, dice Portela. “Activar estas propiedades más allá del nanómetro o la microescala cambiará las reglas del juego”, dice, y agrega que “queda mucho trabajo duro por hacer para llegar a este punto”.
Para Williams, 2.002 y el desafío del diseño podrían cambiarle la vida. Actualmente planea trabajar en la industria después de graduarse, la experiencia la ha llevado a considerar regresar a la academia.
“Como estudiante universitario que tomó 2.002, pude realizar investigaciones de muy alto nivel y utilizar instalaciones de muy alto nivel”, dice. «Me entusiasmó la posibilidad de volver a la investigación».
