Los materiales como los neumáticos de los automóviles, los tejidos humanos y las telarañas tienen una composición diversa, pero todos contienen redes de hilos interconectados. Una pregunta que se ha planteado desde hace mucho tiempo sobre la durabilidad de estos materiales es: ¿cuál es la energía necesaria para fracturar estas redes diversas? Un artículo publicado recientemente por investigadores del MIT ofrece nuevos conocimientos. El estudio se publica en la revista Physical Review X.
“Nuestros hallazgos revelan una ley general simple que rige la energía de fractura de las redes en varios materiales y escalas de longitud”, dice Xuanhe Zhao, profesor de Uncas y Helen Whitaker y profesor de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT. “Este descubrimiento tiene implicaciones significativas para el diseño de nuevos materiales, estructuras y metamateriales, lo que permite la creación de sistemas que son increíblemente resistentes, blandos y elásticos”.
A pesar de que se entiende bien la importancia de la resistencia a las fallas en el diseño de dichas redes, hasta ahora no existía ningún modelo físico que vinculara eficazmente la mecánica de los hilos y la conectividad para predecir la fractura en masa. Esta nueva investigación revela una ley de escala universal que une las escalas de longitud y permite predecir la energía de fractura intrínseca de diversas redes.
“Esta teoría nos ayuda a predecir cuánta energía se necesita para romper estas redes haciendo avanzar una grieta”, dice el estudiante de posgrado Chase Hartquist, uno de los autores principales del artículo. “Resulta que se pueden diseñar versiones más resistentes de estos materiales haciendo que las hebras sean más largas, más elásticas o resistentes a fuerzas mayores antes de romperse”.
Para validar sus resultados, el equipo imprimió en 3D una red gigante y elástica, lo que les permitió demostrar las propiedades de fractura en la práctica. Descubrieron que, a pesar de las diferencias en las redes, todas seguían una regla simple y predecible. Más allá de los cambios en las hebras mismas, una red también se puede endurecer conectando las hebras en bucles más grandes.
“Al ajustar estas propiedades, los neumáticos de los automóviles podrían durar más, los tejidos podrían resistir mejor las lesiones y las telarañas podrían volverse más duraderas”, dice Hartquist.
Shu Wang, investigador posdoctoral en el laboratorio de Zhao y autor principal del artículo, calificó los hallazgos de la investigación como “un momento extremadamente satisfactorio… significaba que las mismas reglas podían aplicarse para describir una amplia variedad de materiales, lo que facilitaba el diseño del mejor material para una situación determinada”.
Los investigadores explican que este trabajo representa un avance en un campo emocionante y emergente llamado materiales diseñados, donde la estructura dentro del propio material le otorga propiedades únicas. Dicen que el descubrimiento arroja luz sobre cómo hacer que estos materiales sean aún más resistentes, centrándose en diseñar los segmentos dentro de la arquitectura más fuertes y más elásticos. La estrategia es adaptable para materiales de todos los campos y puede aplicarse para mejorar la durabilidad de los actuadores robóticos blandos, mejorar la dureza de los tejidos diseñados o incluso crear redes resilientes para la tecnología aeroespacial.
Fuente: Phys.org.