Nueva investigación publicada en Nature Physics detalla la relación entre la disposición de partículas individuales de un material desordenado y cómo reacciona a los factores estresantes externos. El estudio también encontró que estos materiales tienen "memoria" que se puede usar para predecir cómo y cuándo fluirán. El estudio fue dirigido por Larry Galloway, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Paulo Arratia, y Xiaoguang Ma, ex postdoctorado en el laboratorio de Arjun Yodh, en colaboración con investigadores en los laboratorios de Douglas Jerolmack y Celia Reina.

Un material desordenado está dispuesto aleatoriamente en la escala de partículas, p. átomos o granos, en lugar de estar distribuidos sistemáticamente, piense en una pila de arena en lugar de una pared de ladrillos ordenadamente apilada. Los investigadores del laboratorio de Arratia están estudiando esta clase de materiales como parte del Centro de ingeniería y ciencia de investigación de materiales de Penn, donde uno de los enfoques del programa es comprender la organización y proliferación de reordenamientos a escala de partículas en materiales amorfos y desordenados.

La pregunta clave en este estudio era si se podía observar la estructura de un material desordenado y tener alguna indicación de qué tan estable es o cuándo podría comenzar a romperse. Esto se conoce como punto de fluencia, o cuando el material "fluye" y comienza a moverse en respuesta a fuerzas externas. "Por ejemplo, si miras los granos de un castillo de arena y cómo están dispuestos, ¿puedo decirte si el viento puede derribarlo o si hay que golpearlo con fuerza para que se caiga?" dice Arratia. "Queremos saber, con solo mirar la forma en que se organizan las partículas, si podemos decir algo sobre la forma en que van a fluir o si van a fluir".

Si bien se sabe que la distribución de partículas individuales influye en el punto de fluencia, o flujo, en materiales desordenados, ha sido un desafío estudiar este fenómeno ya que el campo carece de formas de "cuantificar" el desorden en tales materiales. Para abordar este desafío, los investigadores colaboraron con colegas de todo el campus para combinar la experiencia en los campos de experimentación, teoría y simulaciones.

Para los experimentos, los investigadores rastrean partículas individuales en la parte superior de una interfaz líquido-aire similar a los granos de café que flotan sobre el agua, dicen los investigadores. Luego, usan una aguja magnética que se mueve hacia adelante y hacia atrás para aplicar una fuerza de corte. Con este sistema, los investigadores pueden aplicar sistemáticamente fuerzas a 50 000 partículas, realizar un seguimiento de su movimiento detallado y utilizar un análisis de imágenes complejo para ver si, por ejemplo, dos partículas vecinas permanecen una al lado de la otra después de aplicar una fuerza de corte.

Uno de los desafíos de este estudio fue encontrar una métrica que pudiera ayudar a caracterizar el trastorno; para hacer esto, los investigadores recurrieron a un concepto conocido como exceso de entropía. Si bien esta idea se ha utilizado antes para estudiar líquidos simples, su aplicación en estos sistemas granulares más grandes, donde la temperatura no influye en el movimiento de las partículas, era conceptualmente muy nueva, dice Galloway. "Estamos tomando la termodinámica y aplicando algunos de sus conceptos a algo a lo que la gente generalmente no cree que se aplique la termodinámica", dice.

Para ayudar a conectar sus resultados experimentales con las teorías del exceso de entropía, el laboratorio de Arratia trabajó con colegas del grupo Reina, que tienen experiencia teórica en termodinámica de no equilibrio, así como con colegas del laboratorio Yodh, que han experimentado con conceptos de exceso de entropía para dilucidar los sistemas de equilibrio y de no equilibrio. Además, el grupo de Jerolmack compartió su experiencia en el estudio del flujo de partículas para ayudar a conectar los resultados experimentales complejos con las simulaciones.

Uno de los hallazgos más significativos de este estudio es que los materiales desordenados pueden "recordar" las fuerzas que se les aplicaron y que esta memoria se puede medir observando las distribuciones de partículas individuales. "Si te acercas y miras dónde están todas las diferentes partículas, puedes leer qué recuerdos están almacenados allí", dice Galloway.

Los investigadores también encontraron que los materiales desordenados pierden esta memoria cuando se supera un umbral de estrés, lo que ocurre al mismo tiempo que el material alcanza su punto de fluencia y comienza a fluir. “Si aplicas un poco de estrés, el material recordará y volverá a su estado original”, dice Arratia. "Pero si comienzas a cortar con más fuerza, comienza a perder su memoria. Ahí es exactamente donde encontramos que el material cede y comienza a fluir, y esa tensión crítica está relacionada con la pérdida de memoria".

Si bien el concepto de memoria en materiales desordenados se conocía desde hace algún tiempo, la fuerte correlación observada en sus resultados entre la distribución de partículas, el flujo y la memoria sorprendió a los investigadores. En el futuro, planean desarrollar este trabajo mediante el estudio de otros tamaños y tipos de partículas, investigación que podría ayudar a abordar qué tan universal es este concepto y cómo sus resultados se relacionan con la termodinámica y el exceso de entropía de manera más amplia.

Arratia agrega que con una gama tan amplia de sistemas que actúan como materiales desordenados, desde laderas erosionadas con riesgo de causar deslizamientos de tierra hasta organismos vivos como las biopelículas, las posibles implicaciones para campos más allá de la termodinámica son numerosas. “Espero que este trabajo se convierta en algo que podamos aplicar a diferentes sistemas dispares desde la piel, los deslizamientos de tierra, las biopelículas y muchas cosas que están desordenadas y también fluyen”, dice Arratia. + Explora más

El estudio describe cómo las fuerzas externas impulsan la reorganización de partículas individuales en sólidos desordenados