Científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han estado estudiando la resistencia y dureza de columnas de arena hechas de una mezcla de granos pegajosos y no pegajosos. Han descubierto el mecanismo detrás de cómo cambia la resistencia a medida que los granos se mezclan en diferentes proporciones, y cómo una mezcla puede ayudar a mantener la columna más resistente a la deformación. Los granos no pegajosos también se pueden reemplazar fácilmente con otros materiales, lo que permite el diseño de materia funcional más resistente y resistente.
La materia granular está formada por una gran cantidad de granos pequeños, como arena y polvo. Se puede hacer que estos granos se adhieran entre sí, produciendo materiales fuertes como el hormigón. Pero la fuerza no lo es todo. Los materiales fuertes pueden ser quebradizos y agrietarse fácilmente cuando se deforman. El diseño científico de materiales que no sólo sean más fuertes sino también más resistentes sigue siendo un desafío para los científicos de materiales.
Un equipo de la Universidad Metropolitana de Tokio dirigido por el profesor Rei Kurita ha estado estudiando las propiedades mecánicas de las columnas de arena, un modelo sencillo pero potente para la materia granular. En lugar de centrarse en granos que se adhieren entre sí, han estado analizando mezclas de arena normal no pegajosa y arena "cinética", granos recubiertos de aceite de silicona que pueden adherirse entre sí. La investigación se publica en la revista Communications Physics. .
Si bien la mecánica de los "granos atractivos" se comprende relativamente bien, no se puede decir lo mismo de los materiales donde la pegajosidad solo aparece en un subconjunto de granos.
Cuando hicieron columnas con diferentes proporciones de granos pegajosos, descubrieron que la resistencia de la columna, caracterizada por cuánto se deforma cuando se somete a una carga, muestra un cambio escalonado característico.
Cuando la proporción de arena pegajosa alcanza el 60%, la resistencia salta repentinamente a un valor más alto. Una arena más pegajosa no provoca ningún aumento adicional.
A través de simulaciones por computadora de una configuración similar, descubrieron que esto era exactamente cuando los granos pegajosos formaban una red rígida que se extendía a través de la muestra. Esto debe distinguirse de los granos pegajosos que simplemente se conectan a través de la muestra; Las líneas de granos pegajosos, por ejemplo, pueden deformarse fácilmente cuando se juntan los extremos. Sólo cuando hay suficientes conexiones entre los granos, los granos pegajosos pueden soportar un peso.
Sin embargo, a diferencia de los materiales resistentes típicos, estas columnas parcialmente adhesivas muestran un comportamiento único cuando se someten a cargas mayores. A medida que la columna se deforma, no se agrieta; en cambio, cambian su forma:las conexiones entre los granos pegajosos no simplemente se destruyen, sino que pueden reorganizarse y reformarse. Esto hace que las columnas no sólo sean fuertes, sino también resistentes.
El equipo señala que dado que más del 60% de los granos pegajosos no cambian la resistencia, el otro 40% se puede cambiar fácilmente con cualquier otro material, por ejemplo, algo con propiedades antibacterianas. Esta característica de diseño contraintuitiva allana el camino para materiales compuestos que no sólo son más fuertes y resistentes, sino también funcionales.
Más información: Honoka Fujio et al, Mecanismos de durabilidad y deformabilidad similares a geles en sistemas granulares húmedos, Física de las Comunicaciones (2024). DOI:10.1038/s42005-023-01518-0
Información de la revista: Física de las Comunicaciones
Proporcionado por la Universidad Metropolitana de Tokio
