La fuerza de los dientes se dice en una escala de milímetros. Las sonrisas de porcelana son una especie de cerámica, excepto que mientras los platos de porcelana se rompen cuando se chocan entre sí, nuestros dientes no y es porque están llenas de defectos.

Esos defectos son los que inspiraron el último artículo dirigido por Susanta Ghosh, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica-Ingeniería Mecánica. La investigación se publicó recientemente en la revista Mechanics of Materials. Junto con un equipo de estudiantes graduados dedicados, Upendra Yadav, Mark Coldren y Praveen Bulusu, y la también ingeniera mecánica Trisha Sain, Ghosh examinó lo que se llama microarquitectura de materiales frágiles como el vidrio y la cerámica.

"Desde la época de los alquimistas, la gente ha intentado crear nuevos materiales, "Dijo Ghosh." Lo que hicieron fue a nivel químico y nosotros trabajamos a microescala. Cambiar las geometrías, la microarquitectura, de un material es un nuevo paradigma y abre muchas posibilidades nuevas porque estamos trabajando con materiales bien conocidos ".

Vidrio a prueba de rotura

Un vidrio más fuerte nos devuelve a los dientes y las conchas marinas. En el nivel micro, los componentes primarios duros y quebradizos de los dientes y las conchas tienen interfaces débiles o defectos. Estas interfaces están llenas de polímeros blandos. Mientras los dientes rechinan y las conchas chocan, los puntos blandos amortiguan las placas duras, dejándolos deslizarse uno al lado del otro. Bajo mayor deformación, se entrelazan como cierres de velcro o de velcro, llevando así enormes cargas. Pero mientras mastica, nadie podría ver el cambio de forma de un diente a simple vista. La microarquitectura cambiante ocurre en la escala de micrones, y su estructura entrelazada rebota hasta que un caramelo pegajoso o un grano de palomitas de maíz rebelde empuja las placas deslizantes hasta el punto de ruptura.

Ese punto de ruptura es lo que estudia Ghosh. Los investigadores en el campo han descubierto en experimentos que agregar pequeños defectos al vidrio puede aumentar la resistencia del material 200 veces. Eso significa que los defectos suaves ralentizan la falla, guiar la propagación de grietas, y aumenta la absorción de energía en el material frágil.

"El proceso de falla es irreversible y complicado porque las arquitecturas que atrapan la grieta a través de una ruta predeterminada pueden ser curvas y complejas, ", Dijo Ghosh." Los modelos con los que trabajamos tratan de describir la propagación de la fractura y la mecánica de contacto en la interfaz entre dos bloques de construcción duros y frágiles ".

Método de elementos finitos

Los patrones de microarquitectura en la naturaleza cortan sus dientes en una línea de tiempo evolutiva. Los científicos e ingenieros de materiales trabajan en períodos más cortos, por lo que están desarrollando herramientas para descubrir los mejores defectos y sus geometrías ideales. El método de elementos finitos (FEM) es una de esas técnicas.

FEM es un modelo numérico que desarma un todo complejo mediante la evaluación de piezas separadas, llamadas elementos finitos, y luego vuelve a unir todo de nuevo utilizando el cálculo de variaciones. A Humpty Dumpty y a todos los hombres del rey les hubiera gustado FEM, pero no es un truco rápido en la carretera. Para ejecutar cálculos tan complejos se requiere una supercomputadora, como Superior en Michigan Tech, y asegurarse de que se conecten las entradas correctas requiere diligencia, paciencia y buen ojo para la codificación de detalles. Usar FEM para vidrio súper fuerte significa modelar todas las posibles interacciones entre las placas duras y los puntos blandos del material.

Modelado analítico

Ghosh y su equipo reconocieron que, aunque FEM brinda soluciones precisas, lleva mucho tiempo y no es adecuado cuando se trabaja con una gran cantidad de modelos. Entonces, se les ocurrió una alternativa.

"Queríamos un sencillo modelo aproximado para describir el material, " él dijo, explicar que el equipo utilizó ecuaciones matemáticas más básicas que los cálculos FEM para delinear y describir las formas dentro del material y cómo podrían interactuar. "Por supuesto, un experimento es la prueba definitiva, pero un modelado más eficiente nos ayuda a acelerar el proceso de desarrollo y ahorrar dinero al enfocarnos en materiales que funcionan bien en los modelos ".

Tanto el modelo FEM como el de microarquitectura analítica del laboratorio de Ghosh pueden ayudar a hacer cerámica, implantes biomédicos y el vidrio en edificios tan duros como nuestros dientes.