Cuando pequeñas partículas golpean una superficie metálica a alta velocidad, por ejemplo, como recubrimientos que se rocían o como micrometeoritos que golpean una estación espacial:el momento del impacto ocurre tan rápido que los detalles del proceso no se han entendido claramente, hasta ahora.

Un equipo de investigadores del MIT acaba de realizar las primeras imágenes y análisis detallados de alta velocidad del proceso de impacto de micropartículas. y usó esos datos para predecir cuándo rebotarán las partículas, palo, o golpear el material de la superficie y debilitarlo. Los nuevos hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

Mostafa Hassani-Gangaraj, un postdoctorado del MIT y autor principal del artículo, explica que los impactos de micropartículas de alta velocidad se utilizan para muchos propósitos en la industria, por ejemplo, para aplicar revestimientos, limpieza de superficies, y materiales de corte. Se aplican en una especie de versión superpoderosa de chorro de arena que impulsa las partículas a velocidades supersónicas. Este granallado con micropartículas también se puede utilizar para reforzar superficies metálicas. Pero hasta ahora estos procesos se han controlado sin una comprensión sólida de la física subyacente del proceso.

"Hay muchos fenómenos diferentes que pueden ocurrir" en el momento del impacto, Hassani-Gangaraj dice:pero ahora, por primera vez, los investigadores han descubierto que un breve período de fusión tras el impacto juega un papel crucial en la erosión de la superficie cuando las partículas se mueven a velocidades superiores a un cierto umbral.

Esa es una información importante porque la regla general en las aplicaciones industriales es que las velocidades más altas siempre conducirán a mejores resultados. Los nuevos hallazgos muestran que este no es siempre el caso, y "debemos tener en cuenta que esta región se encuentra en el extremo superior" del rango de velocidades de impacto, donde la efectividad del recubrimiento (o refuerzo) disminuye en lugar de mejorar, Dice Hassani-Gangaraj. "Para evitar eso, necesitamos poder predecir "la velocidad a la que cambian los efectos".

Los resultados también pueden arrojar luz sobre situaciones en las que los impactos no están controlados, como cuando las partículas transportadas por el viento golpean las palas de las turbinas eólicas, cuando las micropartículas golpean naves espaciales y satélites, o cuando pedazos de roca y arena arrastrados por un flujo de petróleo o gas erosionan las paredes de las tuberías. "Queremos comprender los mecanismos y las condiciones exactas en las que estos procesos de erosión pueden ocurrir, "Dice Hassani-Gangaraj.

El desafío de medir los detalles de estos impactos era doble. Primero, los eventos de impacto ocurren extremadamente rápido, con partículas viajando a más de un kilómetro por segundo (tres o cuatro veces más rápido que los aviones a reacción de pasajeros). Y segundo, las partículas en sí son tan pequeñas, alrededor de una décima parte del grosor de un cabello, que observarlos también requiere un aumento muy alto. El equipo utilizó un banco de pruebas de impacto de micropartículas desarrollado en el MIT, que puede grabar videos de impacto con velocidades de cuadro de hasta 100 millones de cuadros por segundo, para realizar una serie de experimentos que ahora han delineado claramente las condiciones que determinan si una partícula rebotará en una superficie, apégate a ello, o erosionar la superficie al fundirse.

Por sus experimentos, el equipo utilizó partículas de estaño de unos 10 micrómetros (cien milésimas de metro) de diámetro, aceleró a velocidades de hasta 1 kilómetro por segundo y golpeó una superficie de hojalata. Las partículas se aceleraron usando un rayo láser que instantáneamente evapora la superficie del sustrato y expulsa las partículas en el proceso. Se utilizó un segundo rayo láser para iluminar las partículas voladoras cuando golpeaban la superficie.

Estudios anteriores se habían basado en análisis post-mortem, es decir, estudiar la superficie después de que tuvo lugar el impacto. Pero eso no permitió comprender la compleja dinámica del proceso. Fueron solo las imágenes de alta velocidad las que revelaron que la fusión tanto de la partícula como de la superficie tuvo lugar en el momento del impacto, en los casos de alta velocidad.

El equipo utilizó los datos de estos experimentos para desarrollar un modelo general para predecir la respuesta de partículas de un tamaño dado que viajan a una velocidad determinada. dice David Veysset, investigador del MIT y coautor del artículo. Hasta aquí, él dice, han usado metales puros, pero el equipo planea realizar más pruebas con aleaciones y otros materiales. También tienen la intención de probar los impactos en una variedad de ángulos distintos de los impactos directos probados hasta ahora. "Podemos extender esto a todas las situaciones en las que la erosión es importante, ", dice. El objetivo es desarrollar" una función que pueda decirnos si la erosión ocurrirá o no ".

Eso podría ayudar a los ingenieros "a diseñar materiales para la protección contra la erosión, ya sea en el espacio o en el suelo, donde quieran resistir la erosión, "Dice Veysset.

"Los autores exploran un nuevo régimen de impacto de alta velocidad en el que las partículas impactantes realmente se derriten, "dice H. Jay Melosh, profesor de física e ingeniería aeroespacial en la Universidad de Purdue y especialista en impactos, que no participó en este estudio. Él añade, "En este régimen, pueden agregar material de las partículas impactantes, así como erosionar el objetivo. Esto eventualmente puede encontrar una aplicación tecnológica, pero el trabajo presentado en el documento es principalmente un análisis de la mecánica del impacto y proporciona una evaluación cuantitativa de cuánto del objetivo (sustrato) se erosiona en función de la velocidad del impacto ".

Melosh dice:"El trabajo experimental es de muy alta calidad ... Me imagino que podría tener aplicaciones en algunos tipos de fresado de superficies, similar al pulido con chorro de arena pero más agresivo que ese método ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.