Cuando deforma un material blando como Silly Putty, sus propiedades cambian dependiendo de qué tan rápido lo estires y aprietes. Si dejas la masilla en un vaso pequeño, eventualmente se esparcirá como un líquido. Si lo tira lentamente, se adelgazará y se caerá como un caramelo viscoso. Y si rápidamente le das un tirón, la Silly Putty se partirá como una quebradiza, barra sólida.

Los científicos usan varios instrumentos para estirar, estrujar, y retuerza materiales blandos para caracterizar con precisión su resistencia y elasticidad. Pero típicamente, tales experimentos se llevan a cabo secuencialmente, que puede llevar mucho tiempo.

Ahora, inspirado en las secuencias de sonido utilizadas por los murciélagos y delfines en la ecolocalización, Los ingenieros del MIT han ideado una técnica que mejora enormemente la velocidad y precisión de la medición de las propiedades de los materiales blandos. La técnica se puede utilizar para probar las propiedades del cemento de secado, coagulación de la sangre, o cualquier otro material blando "mutante" a medida que cambian con el tiempo. Los investigadores informan sus resultados en la revista. Revisión física X .

"Esta técnica puede ayudar en muchas industrias, [que no] tendrá que cambiar sus instrumentos establecidos para obtener un análisis mucho mejor y preciso de sus procesos y materiales, "dice Bavand Keshavarz, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

"Por ejemplo, este protocolo se puede utilizar para una amplia gama de materiales blandos, de la saliva, que es viscoelástica y fibrosa, a materiales tan rígidos como el cemento, "agrega la estudiante de posgrado Michela Geri." Todos pueden cambiar rápidamente con el tiempo, y es importante caracterizar sus propiedades de forma rápida y precisa ".

Geri y Keshavarz son coautores del artículo, que también incluye a Gareth McKinley, el profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería y profesor de ingeniería mecánica en el MIT; Thibaut Divoux del Laboratorio conjunto CNRS-MIT; Christian Clasen de KU Leuven en Bélgica; y Dan Curtis de la Universidad de Swansea en Gales.

Hacia mediciones más rápidas

La nueva técnica del grupo mejora y extiende la señal de deformación capturada por un instrumento conocido como reómetro. Típicamente, Estos instrumentos están diseñados para estirar y apretar un material, de ida y vuelta, sobre cepas pequeñas o grandes, dependiendo de una señal enviada en forma de un perfil oscilante simple, que le dice al motor del instrumento qué tan rápido o qué tan lejos deformar el material. Una frecuencia más alta hace que el motor del reómetro funcione más rápido, cizallar el material a un ritmo más rápido, mientras que una frecuencia más baja ralentiza esta deformación.

Otros instrumentos que prueban materiales blandos funcionan con señales de entrada similares. Estos pueden incluir sistemas que presionan y retuercen materiales entre dos placas, o que revuelven materiales en contenedores, a velocidades y fuerzas determinadas por el perfil de frecuencia que los ingenieros programan en los motores de los instrumentos.

Hasta la fecha, el método más preciso para probar materiales blandos ha sido realizar pruebas secuencialmente durante un período prolongado. Durante cada prueba, un instrumento puede, por ejemplo, estirar o cortar un material a una sola frecuencia baja, u oscilación del motor, y registre su rigidez y elasticidad antes de cambiar a otra frecuencia. Aunque esta técnica produce mediciones precisas, puede llevar horas caracterizar completamente un solo material.

Un chirrido sonoro

En años recientes, Los investigadores han buscado acelerar el proceso de prueba de materiales blandos cambiando la señal de entrada de los instrumentos y comprimiendo el perfil de frecuencia que se envía a los motores.

Los científicos se refieren a esto más corto, más rápido, y un perfil de frecuencia más complejo como un "chirrido, "después de la estructura similar de frecuencias que se producen en los campos de radar y sonar, y en términos muy generales, en algunas vocalizaciones de pájaros y murciélagos. El perfil de chirrido acelera significativamente una ejecución de prueba experimental, permitiendo que un instrumento mida en solo 10 a 20 segundos las propiedades de un material en un rango de frecuencias o velocidades que tradicionalmente tomarían alrededor de 45 minutos.

Pero en el análisis de estas medidas, los investigadores encontraron artefactos en los datos de chirridos normales, conocidos como efectos de llamada, lo que significa que las medidas no eran lo suficientemente precisas:parecían oscilar o "anillo" alrededor de los valores esperados o reales de rigidez y elasticidad de un material, y estos artefactos parecían provenir del perfil de amplitud del chirrido, que se asemejaba a una aceleración y una desaceleración rápidas de las frecuencias de oscilación del motor.

"Esto es como cuando un atleta hace un sprint de 100 metros sin calentar, "Dice Keshavarz.

Geri, Keshavarz, y sus colegas buscaron optimizar el perfil de chirrido para eliminar estos artefactos y, por lo tanto, producir mediciones más precisas, manteniendo el mismo período de prueba breve. Estudiaron señales de chirrido similares en el radar y el sonar (campos originalmente desarrollados en el Laboratorio Lincoln del MIT) con perfiles que se inspiraron originalmente en los chirridos producidos por pájaros. murciélagos y delfines.

"Los murciélagos y los delfines envían una señal de chirrido similar que encapsula un rango de frecuencias, para que puedan localizar a sus presas rápidamente, ", Dice Geri." Escuchan qué [frecuencias] les regresan y han desarrollado formas de correlacionar eso con la distancia al objeto. Y tienen que hacerlo muy rápido y con precisión, de lo contrario, la presa se escapará ".

El equipo analizó las señales de chirp y optimizó estos perfiles en simulaciones por computadora, luego aplicó ciertos perfiles de chirrido a su reómetro en el laboratorio. Descubrieron que la señal que reducía más el efecto de timbre era un perfil de frecuencia que seguía siendo tan corto como la señal de chirrido convencional, de unos 14 segundos de duración, pero que aumentaba gradualmente. con una transición más suave entre las distintas frecuencias, en comparación con los perfiles chirp originales que han estado utilizando otros investigadores.

Llaman a esta nueva señal de prueba un "Chirp con ventana óptima, "o OWCh, para la forma resultante del perfil de frecuencia, que se asemeja a una ventana suavemente redondeada en lugar de a una subida y bajada rectangulares. Por último, la nueva técnica ordena a un motor que estire y exprima un material de una manera más gradual, manera suave.

El equipo probó su nuevo perfil de chirrido en el laboratorio en varios líquidos y geles viscoelásticos, comenzando con una solución de polímero estándar de laboratorio que caracterizaron utilizando el tradicional, método más lento, el perfil de chirrido convencional, y su nuevo perfil OWCh. Descubrieron que su técnica producía mediciones que coincidían casi exactamente con las del método preciso pero más lento. Sus mediciones también fueron 100 veces más precisas que las producidas por el método de chirrido convencional.

Los investigadores dicen que su técnica se puede aplicar a cualquier instrumento o aparato existente diseñado para probar materiales blandos. y acelerará significativamente el proceso de prueba experimental. También han proporcionado un paquete de software de código abierto que los investigadores e ingenieros pueden utilizar para ayudarles a analizar sus datos. para caracterizar rápidamente cualquier suave, material en evolución, por coagular la sangre y secar los cosméticos, para solidificar cemento.

"Muchos materiales de la naturaleza y la industria, en productos de consumo y en nuestros cuerpos, cambiar escalas de tiempo bastante rápidas, ", Dice Keshavarz." Ahora podemos monitorear la respuesta de estos materiales a medida que cambian, en una amplia gama de frecuencias, y en un corto período de tiempo ".