Materiales desordenados, como espumas celulares, redes de fibra y polímeros:son populares en aplicaciones que van desde la arquitectura hasta los andamios biomédicos. Predecir cuándo y dónde pueden fallar estos materiales podría afectar no solo a los materiales actualmente en uso, pero también diseños futuros. Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de California en Los Ángeles pudieron pronosticar puntos probables de falla en celosías cortadas con láser desordenadas bidimensionales sin necesidad de estudiar los estados detallados del material.

El interior de los materiales desordenados está formado por una red de conexiones entre vigas delgadas que se cruzan en varios puntos, o nodos, a lo largo del material. Su estructura permite tanto la compresión como la deformación, permitiéndoles soportar diferentes tipos de fuerza.

Estelle Berthier, investigador postdoctoral en NC State y autor principal de un artículo que describe la investigación, se propuso determinar si es posible predecir dónde es más probable que ocurra una falla en una red desordenada. Berthier y la coautora Karen Daniels, profesor de física en NC State, generaron celosías basadas en las redes de contacto observadas dentro de los materiales granulares y observaron una propiedad conocida como centralidad de intermediación de borde geodésico (GEBC).

"La importancia de un borde en una red radica en su capacidad para conectar diferentes partes de la red utilizando la ruta más corta, ", Dice Berthier." En nuestro modelo de celosía, cuando conecta cada nodo de la red tomando el camino más corto, usas una de estas vigas, o bordes. Si pasa mucho por un borde en particular, entonces ese borde tiene una alta centralidad. Piense en utilizar el camino más corto, o camino, entre dos ciudades. El valor de centralidad es el camino más popular en ese camino más corto ".

En colaboración con el matemático de UCLA Mason Porter, los investigadores utilizaron un algoritmo informático para calcular el GEBC para la celosía y encontraron que los bordes con un valor de centralidad más alto que la media eran los más propensos a fallar.

"Si tiene más tráfico en una carretera en particular, entonces hay más desgaste, "Dice Berthier". Del mismo modo, un valor de centralidad más alto significa que una ruta particular dentro del material está lidiando con más tráfico de fuerza, 'y debería ser monitoreado más de cerca o quizás apuntalado de alguna manera ".

Los investigadores encontraron que los valores de GEBC por sí solos eran suficientes para identificar los sitios de falla en el material.

"Una de las cosas que me sorprendieron de los resultados fue que los cálculos no requieren que conozcamos las propiedades de los materiales, cómo se han conectado las piezas, "Dice Daniels." Por supuesto, podemos hacer que las predicciones sean aún más sólidas al incluir información sobre las interacciones físicas en nuestros cálculos ".

La investigación aparece en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias y fue apoyado por la Fundación James S. McDonnell.