Comprender cómo fallan los materiales blandos bajo tensión es fundamental para resolver desafíos de ingeniería tan dispares como la tecnología farmacéutica y la prevención de deslizamientos de tierra. Un nuevo estudio que vincula un espectro de comportamientos de materiales blandos, que antes se creía que no estaban relacionados, llevó a los investigadores a identificar un nuevo parámetro al que denominan factor de fragilidad, que les permite simplificar el comportamiento de falla de los materiales blandos. Esto, en última instancia, ayudará a los ingenieros a diseñar mejores materiales que afronten los desafíos futuros.
Simon Rogers, profesor de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Krutarth Kamani, estudiante de posgrado, se especializan en determinar cómo los materiales blandos ceden ante la tensión y han demostrado cómo los estados físicos sólido y líquido pueden coexistir en el mismo material. Esta área es de gran interés debido a su importancia para las aplicaciones industriales, ambientales y biomédicas.
En el camino, el equipo identificó una falla de comunicación entre los científicos que trabajan en esta área, lo que provoca un cuello de botella entre la comprensión teórica del comportamiento de los materiales blandos y las aplicaciones en el mundo real.
Cuando los materiales blandos (naturales o sintéticos) se deforman bajo presión, llegan a un punto crítico en el que vuelven a su forma original o sufren una deformación permanente, como el estiramiento o la rotura de un trozo de elástico. Este proceso se conoce como fluencia. Una transición de fluencia gradual se denomina comportamiento dúctil, mientras que una abrupta se denomina comportamiento frágil, dijeron los investigadores.
«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 la conexión entre el comportamiento frágil y dúctil ni cómo definirlo».
En el estudio, publicado en la revista Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, En lugar de considerar el comportamiento de los materiales blandos como uno u otro (frágil o dúctil), el equipo de Rogers considera un espectro de comportamientos de fluencia. Esto permitió al equipo construir un modelo continuo, que los llevó a descubrir el 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.
Al igual que en estudios anteriores del equipo, el modelo fue desarrollado y probado utilizando datos de numerosos experimentos que sometieron diversos materiales blandos a tensión mientras se medían las respuestas de deformación individuales utilizando un dispositivo llamado reómetro.
«No esperábamos que este estudio explicara tanto como lo hace», dijo Rogers, quien también es un afiliado del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada de la Universidad de Illinois. «Lo que obtuvimos fue una manera de reunir un montón de comportamientos de materiales blandos bajo el mismo paraguas de física. Anteriormente, se habían estudiado de forma independiente o tal vez se habían aplicado todos simultáneamente, pero nunca se pensó que estuvieran conectados física o matemáticamente».
Este hallazgo permitirá a los investigadores explicar con precisión por qué algunos materiales son más resistentes a la deformación rápida que otros, una pregunta que ha eludido a los investigadores durante décadas.
«Este único parámetro conecta de manera sorprendente muchas observaciones desconcertantes que los investigadores han encontrado a lo largo de los años», dijo Kamani.
«Este trabajo marca el punto en el que nos estamos acercando 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 más alto, pero sin un final a la vista. Ahora podemos ver la cima de la colina, y estamos más cerca de la cima y libres de avanzar en cualquier dirección que queramos».
La Fundación Nacional de la Ciencia apoyó esta investigación.
