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| La capa de mucosidad de la parte inferior de la pata de un caracol es un ejemplo de material blando que cede a la tensión hasta cierto punto y luego fluye. Este comportamiento, simplificado en un nuevo estudio de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, es lo que ayuda al caracol a moverse sin deslizarse, de forma similar a la de muchos otros materiales naturales y sintéticos, desde el barro hasta los aditivos que hacen que la pasta de dientes fluya al apretarla. Crédito: Rodrigo Quarteu |
Años de meticulosa experimentación han dado sus frutos para los investigadores que pretenden unificar la física que define los materiales que pasan de sólidos a líquidos. Los investigadores afirman que un nuevo modelo teórico podría ayudar a desarrollar nuevos materiales sintéticos y a informar y predecir los retos de la ingeniería civil y el medio ambiente, como los corrimientos de tierra, las roturas de presas y las avalanchas.
El estudio, dirigido por el profesor de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Simon Rogers, desvela una expresión matemática unificada que define cómo los materiales blandos pero rígidos pasan de un sólido a un líquido cuando superan su umbral de tensión específico. Los resultados se publican en la revista Physical Review Letters.
"Tradicionalmente, el comportamiento de los fluidos sometidos a tensiones específicas se ha definido tratando de combinar la física de dos tipos diferentes de materiales: los sólidos y los líquidos", explica el autor principal, Krutarth Kamani, estudiante de posgrado de ingeniería química y biomolecular en Illinois. "Pero ahora, hemos demostrado que estos estados físicos -sólido y líquido- pueden existir juntos en el mismo material, y podemos explicarlo utilizando una expresión matemática".
Para desarrollar este modelo, el equipo llevó a cabo numerosos estudios en los que se sometió a una variedad de materiales blandos diferentes a tensiones mientras se medían las respuestas individuales de deformación de tipo sólido y líquido utilizando un dispositivo llamado reómetro.
"Pudimos observar el comportamiento de un material y ver una transición continua entre los estados sólido y líquido", dijo Rogers, que también es afiliado del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la U. de I. "Los modelos tradicionales describen todos un cambio abrupto en el comportamiento de sólido a líquido, pero pudimos resolver dos comportamientos distintos que reflejan la disipación de energía a través de mecanismos sólidos y fluidos".
El estudio informa de que este desarrollo proporciona a los investigadores un modelo sencillo con el que trabajar, facilitando la realización de cálculos a gran escala como los necesarios para modelar y predecir sucesos catastróficos como desprendimientos y avalanchas.
"Los modelos existentes son costosos desde el punto de vista computacional, y los investigadores tienen que luchar con los números para que los cálculos sean lo más precisos posible", afirma Rogers. "Nuestro modelo es sencillo y más preciso, y lo hemos demostrado mediante muchos experimentos de prueba de concepto".
Los investigadores afirmaron que los complejos estudios de rendimiento de fluidos son un tema candente para quienes investigan los flujos geofísicos, la remediación de residuos y los procesos industriales como el desarrollo de nuevos materiales, la impresión 3D y la minimización de los costes de transporte de residuos. "Nuestro modelo define un ejemplo básico de comportamiento entre sólidos y líquidos, pero creo que servirá de punto de partida para que los investigadores realicen avances significativos en la definición de los fenómenos más complejos de fluidos de rendimiento-estrés".
Fuentes, créditos y referencias:
Krutarth Kamani et al, Unification of the Rheological Physics of Yield Stress Fluids, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.218002
Proporcionado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign