Científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han creado un nuevo modelo de materiales desordenados para estudiar cómo los materiales amorfos resisten la tensión. Trataron grupos de átomos y moléculas como esferas blandas con diferente suavidad.
Al poner su modelo bajo carga, descubrieron disparidades inesperadas entre las regiones más duras y donde se concentraban las fuerzas, con áreas entre dichas regiones "endurándose" para producir "cadenas de fuerza" alargadas. Sus hallazgos, que aparecen en Scientific Reports , prometen nuevos conocimientos para diseñar mejores materiales.
Cuando se trata de construir materiales duros, utilizar ingredientes duros no es suficiente. Por ejemplo, cuando el hormigón falla durante un terremoto, las fuerzas que se generan se concentran en ciertos lugares, provocando la formación de grietas. Se sabe que la transmisión de fuerzas a través de sólidos amorfos como el hormigón y el cemento sigue caminos bien definidos conocidos como "cadenas de fuerza".
Descifrar cómo emergen ayudaría en gran medida a comprender cómo se comportan estos sólidos bajo tensión, pero aún no se sabe cómo emergen y cómo se relacionan con las propiedades del material.
Esto inspiró a un equipo de investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio dirigido por el profesor Rei Kurita a construir modelos simples y manejables de materiales amorfos que podrían enseñarnos cómo se forman las cadenas de fuerza. En lugar de simplemente simular el movimiento de todos los átomos en algún material, decidieron representar grupos de átomos con esferas de rigidez variable, reflejando cómo esos grupos responden a las fuerzas.
Los materiales que estudiaron se caracterizaron por la variación de la rigidez en el espacio y la amplitud de los patrones de las regiones duras y blandas.
Al deformar su conjunto de partículas blandas, primero buscaron si la rigidez local se correlacionaba con la transmisión de fuerza en cadena. Al principio parecía que había una clara correlación entre las regiones más duras y las cadenas de fuerza. Sin embargo, un análisis más detallado revela que las cadenas de fuerza tienen una forma más parecida a una cuerda y no se correlacionan tan bien con regiones duras aisladas.
Para comprender esta discrepancia, el equipo estudió un modelo más simple de dos regiones rígidas separadas por una región más blanda y descubrió que la región más blanda se vuelve más densa, generando las altas fuerzas necesarias para mantener la cadena en funcionamiento. Este es un primer vistazo a la mecánica fundamental de cómo se conectan las cadenas de fuerza.
Pero, ¿cómo afectan estas variaciones a las propiedades del material? Resulta que mayores variaciones en la suavidad y regiones blandas/duras más amplias conducen a materiales consistentemente más blandos, al igual que mayores variaciones en la densidad local. La conclusión que podemos sacar es que incluso con los mismos bloques de construcción, los materiales amorfos con una rigidez más uniforme dan un material más duro debido a una distribución más uniforme de las cadenas de fuerza.
Si bien la aparición de variaciones de rigidez en materiales reales sigue sin explorarse, el equipo espera que su nuevo modelo y mecanismo allanen el camino para que los principios de diseño creen mejores materiales.
Más información: Rei Kurita et al, Formaciones de redes de fuerzas y ablandamiento de materiales elásticos amorfos a partir de un modelo de partículas de grano grueso, Scientific Reports (2024). DOI:10.1038/s41598-024-59498-2
Información de la revista: Informes científicos
Proporcionado por la Universidad Metropolitana de Tokio
