Navajas bisturís, y los cuchillos suelen estar hechos de acero inoxidable, afilado hasta un borde afilado y recubierto con materiales aún más duros, como el carbono con forma de diamante. Sin embargo, los cuchillos requieren un afilado regular, mientras que las maquinillas de afeitar se reemplazan de forma rutinaria después de cortar materiales mucho más suaves que las propias hojas.

Ahora los ingenieros del MIT han estudiado el simple acto de afeitarse de cerca, observar cómo se puede dañar una hoja de afeitar al cortar cabello humano, un material que es 50 veces más suave que la propia hoja. Descubrieron que afeitarse el cabello deforma una cuchilla de una manera que es más compleja que simplemente desgastar el borde con el tiempo. De hecho, un solo mechón de cabello puede hacer que el borde de una cuchilla se astille en condiciones específicas. Una vez que se forma una grieta inicial, la hoja es vulnerable a astillarse más. A medida que se acumulan más grietas alrededor del chip inicial, El filo de la navaja puede desafilarse rápidamente.

La estructura microscópica de la hoja juega un papel clave, el equipo encontró. La hoja es más propensa a astillarse si la microestructura del acero no es uniforme. El ángulo de aproximación de la hoja a un mechón de cabello y la presencia de defectos en la estructura microscópica del acero también juegan un papel en la iniciación de grietas.

Los hallazgos del equipo también pueden ofrecer pistas sobre cómo preservar el filo de una cuchilla. Por ejemplo, en rebanar verduras, un chef podría considerar reducir directamente en lugar de en ángulo. Y en el diseño de más duraderos, hojas más resistentes a las astillas, los fabricantes podrían considerar fabricar cuchillos con materiales más homogéneos.

"Nuestro principal objetivo era comprender un problema del que más o menos todos son conscientes:por qué las hojas se vuelven inútiles cuando interactúan con material mucho más blando, "dice C. Cem Tasan, el Profesor Asociado Thomas B. King de Metalurgia en el MIT. "Encontramos los principales ingredientes del fracaso, lo que nos permitió determinar una nueva ruta de procesamiento para fabricar blades que pueden durar más ".

Tasan y sus colegas han publicado sus resultados en la revista Ciencias . Sus coautores son Gianluca Roscioli, autor principal y estudiante de posgrado del MIT, y Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi, Postdoctorado del MIT.

Un misterio metalúrgico

El grupo de Tasan en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT explora la microestructura de los metales para diseñar nuevos materiales con una resistencia excepcional al daño.

"Somos metalúrgicos y queremos aprender qué rige la deformación de los metales, para que podamos hacer mejores metales, "Tasan dice". En este caso, fue intrigante que, si cortas algo muy suave, como cabello humano, con algo muy duro, como el acero, el material duro fallaría ".

Para identificar los mecanismos por los cuales las hojas de afeitar fallan al afeitarse el cabello humano, Roscioli primero llevó a cabo algunos experimentos preliminares, usando navajas de afeitar desechables para afeitarse el vello facial. Después de cada afeitado tomó imágenes del filo de la navaja con un microscopio electrónico de barrido (SEM) para rastrear cómo la hoja se desgastaba con el tiempo.

Asombrosamente, los experimentos revelaron muy poco desgaste, o redondeando el borde afilado con el tiempo. En lugar de, notó que se formaban astillas a lo largo de ciertas regiones del filo de la navaja.

"Esto creó otro misterio:vimos astillas, pero no vi astillas en todas partes, solo en ciertas ubicaciones, "Dice Tasan." Y queríamos entender, ¿En qué condiciones se produce este desconchado? y cuales son los ingredientes del fracaso? "

Un chip de la nueva hoja

Para responder a esta pregunta, Roscioli construyó una pequeña Aparato micromecánico para realizar experimentos de afeitado más controlados. El aparato consta de un escenario móvil, con dos abrazaderas a cada lado, uno para sostener una hoja de afeitar y el otro para anclar mechones de cabello. Usó hojas de maquinillas de afeitar comerciales, que colocó en varios ángulos y profundidades de corte para imitar el acto de afeitarse.

El aparato está diseñado para caber dentro de un microscopio electrónico de barrido, donde Roscioli pudo tomar imágenes de alta resolución tanto del cabello como de la cuchilla mientras realizaba múltiples experimentos de corte. Usó su propio cabello, así como muestras de cabello de varios de sus compañeros de laboratorio, en general representa una amplia gama de diámetros de cabello.

Independientemente del grosor de un cabello, Roscioli observó el mismo mecanismo por el cual el cabello daña una cuchilla. Al igual que en sus experimentos iniciales de afeitado, Roscioli descubrió que el cabello hacía que el filo de la hoja se astillara, pero solo en ciertos lugares.

Cuando analizó las imágenes SEM y las películas tomadas durante los experimentos de corte, descubrió que las astillas no se producían cuando el cabello se cortaba perpendicularmente a la hoja. Cuando el cabello estaba libre para doblarse, sin embargo, era más probable que se produjeran chips. Estos chips se formaron más comúnmente en lugares donde el borde de la cuchilla se unía a los lados de los mechones de cabello.

Para ver qué condiciones probablemente estaban causando la formación de estos chips, el equipo realizó simulaciones computacionales en las que modelaron una hoja de acero cortando un solo cabello. Mientras simulaban cada afeitado de cabello, alteraron ciertas condiciones, como el ángulo de corte, la dirección de la fuerza aplicada en el corte, y más importante, la composición del acero de la hoja.

Descubrieron que las simulaciones predecían fallas bajo tres condiciones:cuando la hoja se acercaba al cabello en ángulo, cuando el acero de la hoja era de composición heterogénea, y cuando el borde de una hebra de cabello se encuentra con la hoja en un punto débil de su estructura heterogénea.

Tasan dice que estas condiciones ilustran un mecanismo conocido como intensificación del estrés, en el que el efecto de una tensión aplicada a un material se intensifica si la estructura del material tiene microfisuras. Una vez que se forma una microgrieta inicial, La estructura heterogénea del material permitió que estas grietas se convirtieran fácilmente en astillas.

"Nuestras simulaciones explican cómo la heterogeneidad en un material puede aumentar la tensión en ese material, para que crezca una grieta, a pesar de que el estrés lo impone un material suave como el cabello, "Dice Tasan.

Los investigadores han presentado una patente provisional sobre un proceso para manipular el acero en una forma más homogénea, para hacer más duradero, hojas más resistentes a las astillas.

"La idea básica es reducir esta heterogeneidad, mientras mantenemos la alta dureza, ", Dice Roscioli." Hemos aprendido a hacer mejores hojas, y ahora queremos hacerlo ".