Los investigadores aclaran cómo los materiales blandos fallan bajo tensión

Comprender cómo los materiales blandos fallan bajo tensión es fundamental para resolver desafíos de ingeniería tan diversos como la tecnología farmacéutica y la prevención de deslizamientos de tierra. Un nuevo estudio que combina un espectro de comportamiento de materiales blandos, que antes se pensaba que no estaba relacionado, ha llevado a los investigadores a identificar un nuevo parámetro al que denominan factor de fragilidad, que les permite simplificar el comportamiento de falla del ‘material blando’. En última instancia, esto ayudará a los ingenieros a diseñar mejores materiales que enfrenten los desafíos futuros.

El profesor de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Simon Rogers, y el estudiante graduado Krutarth Kamani se especializan en determinar cómo los materiales blandos ceden ante la tensión y han demostrado cómo los estados físicos sólidos y líquidos pueden existir juntos en el mismo material. Este campo es de gran interés debido a su importancia para aplicaciones industriales, ambientales y biomédicas.

En el camino, el equipo identificó una falla en la comunicación entre los científicos que trabajan en este campo, lo que provocó un cuello de botella entre la comprensión teórica del comportamiento de los materiales blandos y las aplicaciones del mundo real.

Cuando los materiales blandos (naturales o sintéticos) se deforman bajo presión, eventualmente alcanzan un punto crítico en el que vuelven a su forma original o sufren una deformación permanente, como estirar o romper una pieza elástica. Este proceso se conoce como ceder. Los investigadores dijeron que una transición gradual se llama comportamiento dúctil, mientras que una repentina se llama comportamiento frágil.

«En una conferencia reciente, nos dimos cuenta de que todos los que estudiamos materiales blandos de toda Europa y América del Norte no podíamos ponernos de acuerdo sobre cuál es el vínculo entre el comportamiento frágil y dúctil ni cómo definirlo».

En el estudio, publicado en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, En lugar de ver el comportamiento del material blando como uno u otro (frágil o dúctil), el equipo de Rogers considera un espectro de comportamiento de fluencia. Esto permitió al equipo construir un modelo continuo, lo que llevó al descubrimiento del factor de fragilidad. Este factor es fundamental para determinar cómo y por qué fallan los materiales blandos.

Básicamente, la fragilidad afecta la forma en que un material se deforma permanentemente bajo tensión. El modelo del equipo indica que cuanto mayor sea el factor de fragilidad, menos se deformará permanentemente un material blando antes de ceder.

Como en estudios anteriores del equipo, el modelo se desarrolló y probó utilizando datos de numerosos experimentos que sometieron a tensión varios materiales blandos mientras medían las respuestas de deformación individuales utilizando un dispositivo llamado reómetro.

«No esperábamos que este estudio explicara tanto como lo hace», afirmó Rogers, que también está afiliado al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada de los EE.UU. de. I. “Lo que encontramos al final fue una forma de reunir un montón de comportamientos de materiales blandos bajo el mismo paraguas de la física. Anteriormente habían sido estudiados de forma independiente o tal vez todos aplicados simultáneamente, pero nunca pensaron que estuvieran conectados física o matemáticamente.»

Este hallazgo permitirá a los investigadores explicar con precisión por qué algunos materiales son más resistentes a la fluencia rápida que otros, una cuestión que ha eludido a los investigadores durante décadas.

«Este único parámetro unifica sorprendentemente tantas observaciones desconcertantes que los investigadores han encontrado a lo largo de los años», dijo Kamani.

«Este trabajo marca el punto en el que nos acercamos a la cima de la colina en la comprensión del comportamiento de los materiales blandos», dijo Rogers. «Siempre hemos sentido que cada paso nos lleva hacia arriba, pero sin un final a la vista. Ahora podemos ver la cima de la colina, estamos más cerca de la cima y somos libres de avanzar en cualquier dirección que deseemos».

CRÉDITO DE LA IMAGEN: Galería del Ministerio de Defensa del Perú