Tire y pele. Para muchos, la frase probablemente evoca los paquetes característicos de regaliz rojo (y la única forma real de comerlos). Para los científicos de materiales como la Universidad de Nebraska, Yuris Dzenis de Lincoln y sus colegas, aunque, representa una metáfora útil para la estructura sorprendentemente similar de las fibras de alto rendimiento que se encuentran en las armaduras corporales y la ingeniería aeroespacial.

También podría describir una nueva y poderosa técnica para analizar y, Dzenis espera, en última instancia, combatir el fracaso de esas fibras de polímero, ni una década antes.

Las décadas de 1960 y 1970 desencadenaron una avalancha de avances relacionados con la fibra, lo que Dzenis denominó "una verdadera revolución" en la mejora de su química, composición y procesamiento. Pero ese manantial se secó en la década de 1980, él dijo, y ha permanecido relativamente estéril desde entonces.

¿Un posible cuello de botella? Una comprensión limitada de cómo se comportan las fibras cuando se estiran hasta su punto de rotura, también conocido como resistencia a la tracción.

"Lo que pensamos, y nuestros colaboradores del Ejército de EE. UU. también piensan, es que puede deberse a nuestra poca comprensión de cómo estas fibras complejas responden a la carga, "dijo Dzenis, Profesor McBroom de ingeniería mecánica y de materiales. "A pesar de que se han estudiado durante cinco décadas, todavía no hay una comprensión completa de los mecanismos de fractura y deformación.

"Como siempre, cuando queremos optimizar algo, primero tenemos que entenderlo ".

Los científicos de materiales ya entendieron que una fibra de alto rendimiento generalmente consta de tres jerarquías:zarcillos nanoscópicos que son miles de veces más delgados que el cabello humano; microscópico, haces apretados de esos zarcillos; y la fibra macroscópica que componen esos haces. O, en términos de pull 'n' peel:hebras individuales de regaliz, los paquetes de los que se extraen esos hilos, y el paquete que los contiene.

Aunque los investigadores habían analizado cómo respondían las fibras a nanoescala y macroescala, ninguno había descubierto cómo medir las interacciones entre los haces microscópicos, interacciones que muchos sospechaban que eran críticas para comprender algunos hallazgos contrarios a la intuición y el proceso en general.

Taylor Stockdale, graduado de doctorado supervisado por Dzenis, y sus colegas del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Estaban a la altura. Stockdale ideó una técnica para grabar minúsculas muescas en forma de T en la parte superior de la fibra y pelar su superficie mientras se estiraba. todo ello evitando las perturbaciones que invalidaron las mediciones capturadas por otras técnicas, el equivalente nanoscópico de caminar sobre la cuerda floja sin perturbarla. Con las tripas de la fibra reveladas, el equipo pudo entonces emplear métodos más familiares, utilizando un instrumento de nano-indentación para medir las fuerzas que separan los haces adyacentes y un microscopio sofisticado para obtener imágenes de esos haces que se desgarran.

Habiendo hecho eso, el equipo se propuso comparar el comportamiento de dos fibras comunes de alto rendimiento:una fibra de Kevlar que consta de cadenas rígidas de polímero y otra, Fibra de polietileno más flexible. Dzenis y sus colegas estaban especialmente interesados ​​en analizar la fibrilación de fibras, la tendencia de los haces a romperse no en el mismo punto, como en una rotura limpia, sino en diferentes puntos a lo largo de la longitud de una fibra, provocando la extracción del haz y la falla de la fibra. Debido a que ningún equipo había logrado cuantificar la separación entre paquetes, ese proceso, al igual que los propios bultos, había permanecido oculto bajo la superficie.

Los experimentos del equipo revelaron que se necesitaba sustancialmente menos energía para separar los haces en la fibra de polietileno de cadena flexible que en la fibra de Kevlar más rígida. ayudando a aclarar por qué las fibrilaciones se propagaron mucho más a lo largo de la longitud de las primeras fibras que de las segundas.

Los datos resultantes, y la técnica que la rindió, debe informar los modelos computacionales futuros y eventualmente ayudar a optimizar los procesos de fabricación que conducen a más resistentes, fibras más duraderas, dijeron los investigadores.

"Por primera vez, esta información nos permitió explicar las diferencias en la fibrilación, "Dzenis dijo sobre el estudio del equipo, que recientemente apareció en la portada de la revista Materiales e interfaces aplicados de ACS . "Estamos explicando las diferencias a través de datos, que ya es un gran avance ".

No fue el único. Después de comparar la cantidad de energía de separación absorbida en las tres escalas de la fibra de polietileno:zarcillo, haz y fibra entera:el equipo descubrió que la energía obedecía a la llamada ley de potencia. En este caso, la energía de separación absorbida pareció aumentar proporcionalmente con el área de la superficie de separación tomada a la potencia de aproximadamente 0,5, lo que significa que la energía se incrementó a un ritmo de desaceleración constante en relación con el aumento de escala. Ese, Sucesivamente, sugirió que los zarcillos deberían ser más fáciles de separar que los paquetes, y haces más fáciles que las fibras enteras.

Y eso no fue todo. En estructuras, La escala de la ley de potencia a menudo va acompañada de auto-similitud:un fenómeno en el que partes de una estructura se asemejan a la estructura como un todo, como cuando los brazos de un copo de nieve comparten características estructurales con todo el copo. Bastante seguro, cuando el equipo comparó imágenes de fractura de separación entre los haces microscópicos y las partes de fibra macroscópica, detectó puentes similares de material que se extendían por las brechas en ambas escalas, evidencia de auto-similitud que también podría ayudar a explicar la escala de la ley de potencias.

"Personas en mecánica de fracturas, en física, suelen celebrar cuando ven algo como esto, porque es muy útil para futuros modelos, etc. "Dijo Dzenis." También es muy fundamental. Puede terminar siendo el núcleo de este complejo, Comportamiento de fractura multiescala.

"Anticipamos que la gente buscará ahora la auto-semejanza en las fibras, probablemente por primera vez, porque no había evidencia de nada como esto antes. Faltaba un eslabón. Ahora lo tenemos ".

Quedan preguntas Dzenis dijo:el más intrigante de los cuales se relaciona con el adagio de una cadena que se rompe en su eslabón más débil. Ese adagio generalmente se aplica a la falla de estructuras, él dijo. Dados los hallazgos del equipo sobre la energía de separación absorbida, el principio sugirió que la peor fibrilación debería haber ocurrido entre los zarcillos nanoscópicos, no los haces microscópicos.

"Eso nos desconcertó, ", dijo." Eso en realidad retrasó la publicación durante aproximadamente medio año. Íbamos y veníamos; probablemente teníamos 15 borradores de este documento hasta que nos decidimos por esto. Según la energía, la fibrilación debería haber sido a nanoescala. Pero algo lo excluye en la fibra, y la mayor fibrilación se encuentra en la escala intermedia. La respuesta a esta pregunta aún no se ha formulado ni finalizado. pero ahora tenemos algunas pistas ".

Mientras tanto, Dzenis dijo:Los múltiples avances del equipo deberían ayudar a los científicos e ingenieros de materiales al menos a comenzar a desentrañar algunos de los principales hilos que han confinado el campo durante tanto tiempo.

"Los procesos de fabricación de fibra son complejos y aún no se comprenden bien, pero algunas cosas se pueden modificar:algunas concentraciones, algo de química, algunos dibujan proporciones y temperaturas, etc. ", dijo." Cuando los cambiemos, podemos medir una propiedad final de la fibra, pero con un mecanismo de falla tan complejo ... la propiedad final es solo un punto de datos. No es suficiente comprender cómo o por qué un cambio en el procesamiento afectará al mecanismo de falla. Una mejor comprensión de los detalles en diferentes escalas será muy, información muy poderosa y beneficiosa para los investigadores. Esta información cuantitativa es la clave para desarrollar aún más esos mecanismos y crear nuevas superfibras.

"Estamos emocionados. No es frecuente encontrar algo cualitativamente nuevo, y mucho menos cuantitativamente inesperado. Pero esto es solo el principio."