El material que olvida ser sólido al agitarlo

Tome un puñado denso de grapas de oficina comunes y tire de ellas. No se moverán. Se sienten como un bloque sólido de acero, rígido y obstinado, que resiste cada newton de fuerza que se le aplique. Pero si las sacude de la manera correcta —con una vibración específica y calibrada—, toda la estructura colapsa y fluye entre sus dedos como una corriente de metal líquido. Esto no es un truco de magia ni una reacción química. Es un vistazo a un futuro donde nuestros edificios, robots y puentes estarán hechos de materiales que pueden decidir, bajo demanda, si ser un ladrillo o un charco.

Los materiales tradicionales son aburridamente predecibles. Si tiene un montón de arena, los granos son convexos: son lisos, redondeados y esencialmente egoístas. A un grano de arena no le importa lo que haga el de al lado; simplemente se deslizan unos sobre otros. Es por eso que no se puede construir una pared vertical de arena seca. No tiene “resistencia a la tracción”, lo que significa que no puede mantenerse unida cuando se tira de ella. Para crear una estructura sólida a partir de partes pequeñas, generalmente tenemos que añadir un “pegamento”, como el agua en un castillo de arena o el cemento en el hormigón. Pero el laboratorio Barthelat quiso prescindir del pegamento por completo.

El fin del grano convexo

Cuando se vierten estas partículas con forma de grapa en un montón, no se quedan quietas. Se entrelazan. De forma muy similar a las ramas en un nido de pájaro o las fibras en un jersey de lana, las patas de una partícula se enganchan al cuerpo de otra. Esto crea una fuerza colectiva que es mayor que la suma de sus partes. En “pruebas de levantamiento”, los investigadores descubrieron que una masa enredada de estas grapas podía elevarse como una unidad rígida única. Se comporta como un sólido porque la geometría física impide que las partículas se deslicen. Esencialmente, se está construyendo un material donde las “uniones” son mecánicas en lugar de químicas.

Esto crea una extraña paradoja física: un material que es a la vez fuerte y tenaz. En la ciencia de los materiales, estos dos términos suelen estar enfrentados. Un plato de cerámica es fuerte (puede soportar mucho peso) pero no es tenaz (si lo golpea con un martillo, se rompe). Una banda elástica es tenaz (absorbe energía y se estira) pero no es fuerte. Estas grapas entrelazadas logran hacer ambas cosas. Resisten la tracción con la obstinación del metal, pero debido a que pueden desplazarse y deslizarse ligeramente entre sí, absorben los impactos sin romperse. Es el tipo de propiedad mecánica que hace babear a los ingenieros.

¿Cómo convertir un puente en un charco?

La verdadera genialidad de la investigación de CU Boulder no es solo que las grapas se mantengan unidas, sino que saben cuándo soltarse. Este es el aspecto de “metal líquido” que tiene interesados a todos, desde la NASA hasta el Ministerio de Defensa. Mediante la aplicación de patrones específicos de vibración, los investigadores pueden “apagar” eficazmente la solidez del material. Las vibraciones suaves ayudan a que las partículas encuentren su lugar y se entrelacen con mayor fuerza, haciendo que la estructura sea más resistente. Pero al alcanzar la frecuencia de “liberación”, las partículas son sacudidas fuera de su abrazo mecánico. El bloque “sólido” se licúa repentinamente, permitiendo que las grapas sean vertidas en un nuevo molde o retiradas por completo.

Esto plantea una serie de preguntas fascinantes para el futuro de la construcción. Imagine un puente temporal desplegado en una zona de desastre. En lugar de pesadas vigas de acero que requieren grúas masivas y pernos permanentes, se podría verter una “suspensión” de estas partículas entrelazadas en un marco, hacerlas vibrar hasta que se bloqueen sólidamente y caminar sobre ellas. Cuando el trabajo termina, se presiona el botón de vibración, el puente se funde de nuevo en un montón de grapas y se recogen con una pala en un camión para usarlas en el siguiente sitio. Es la infraestructura reciclable definitiva.

Sin embargo, hay un inconveniente. Utilizar el entrelazamiento mecánico a gran escala es actualmente costoso e increíblemente difícil de simular a la perfección. Si bien los modelos informáticos pueden predecir cómo se comportarán mil grapas, predecir cómo reaccionará un billón de ellas bajo el peso de un camión en movimiento es un desafío completamente distinto. También existe el problema de la “fatiga”. Si el material depende de pequeñas patas metálicas que se enganchan entre sí, ¿qué sucede cuando esas patas comienzan a doblarse o romperse después del ciclo de “fusión” número mil? El equipo ya está buscando diseños más avanzados, incluidas partículas con aún más patas —similares a los abrojos que se pegan al pelaje de su perro— para crear un bloqueo más permanente y a prueba de fallos.

El caótico libro de reglas de la naturaleza está siendo reescrito

Las grapas de CU Boulder son parte de una tendencia más amplia y extraña en la física: nos estamos dando cuenta de que los simples diagramas de “sólido, líquido, gas” que aprendimos en la escuela son mayormente mentiras. Mientras Barthelat experimenta con grapas a macroescala, otros físicos están encontrando el mismo comportamiento “extraño” a nivel atómico. Estudios recientes sobre el galio —el metal que se funde famosamente en la mano— han demostrado que su estado líquido es mucho más estructurado y “similar a un sólido” de lo que jamás sospechamos. El galio no se convierte simplemente en una sopa aleatoria de átomos; conserva una memoria fantasmal de su estructura cristalina incluso mientras fluye.

Más allá, en la madriguera del conejo, investigadores que trabajan con grafeno y superfluidos han observado un estado de “pinball cuántico”. En estos sistemas, los electrones pueden ser forzados a “congelarse” en patrones que parecen sólidos pero se comportan como líquidos, o viceversa. Estamos entrando en una era donde la “fase” de un material ya no es una identidad fija, sino un estado temporal. Ya sea un montón de grapas de oficina o una lámina de átomos, las reglas son las mismas: si puede controlar la geometría y la energía, puede hacer que la materia haga lo que usted quiera.

Esto nos devuelve al T-1000. Aunque todavía no estamos en la etapa de construir un asesino cambiaformas que pueda imitar a su suegra, el equipo de CU Boulder cree que el futuro inmediato reside en la robótica de enjambre. Imagine mil robots pequeños y simples —ninguno de ellos más inteligente que una tostadora— que pueden engancharse entre sí para formar una herramienta sólida, como una llave inglesa o una escalera. Cuando la tarea termina, se desenredan y fluyen hacia una pequeña caja para su almacenamiento. Es una transición de la robótica “dura” a sistemas “blandos” que pueden adaptarse a su entorno.

El coste del cambiaformas

¿Pero por qué esto no está ya en nuestros hogares? La barrera, como siempre, es la realidad caótica del mundo físico. Para que un material sea verdaderamente útil, debe ser fiable. Si construye una silla con estas grapas, necesita estar 100% seguro de que un camión pesado que pasa o un altavoz con graves potentes no activarán la “frecuencia de fusión” y lo dejarán sentado en el suelo sobre un montón de metal. Diseñar el “interruptor de apagado” para que sea lo suficientemente específico y no se active por accidente es el siguiente gran obstáculo.

También hay una pesadilla regulatoria esperando tras bambalinas. Nuestros estándares de seguridad actuales para edificios y máquinas se basan en la idea de que los sólidos permanecen sólidos. ¿Cómo se certifica un puente diseñado para desmoronarse? ¿Cómo se escribe un código de construcción para una estructura que, en teoría, podría verterse por un desagüe? Estos son los tipos de puntos de fricción donde la física de vanguardia se encuentra con la burocracia del viejo mundo.

A pesar de estos obstáculos, el impulso es innegable. Nos estamos alejando de un mundo donde construimos cosas con bloques estáticos hacia un mundo donde los materiales son participantes activos en su propia función. La humilde grapa de oficina, una herramienta que solemos usar para mantener unas pocas hojas de papel juntas, nos ha mostrado inadvertidamente el plano para un futuro más fluido. Resulta que si quiere cambiar el mundo, no necesita necesariamente un elemento nuevo o un producto químico revolucionario; solo necesita una mejor manera de hacer que las cosas se enreden.

La próxima vez que se le caiga una caja de grapas al suelo y pase diez minutos tratando de desenredarlas, no se enfade. No está viendo un desastre. Está viendo el material de construcción más fuerte, tenaz y adaptable que jamás hayamos concebido. Es solo que aún no ha encontrado la frecuencia correcta para hacerlo comportar.