Hay un método para modelar elementos finitos para microarquitectura de materiales que permite fabricar vidrio ultra-fuerte. Los investigadores usan modelos complejos para estudiar el punto de ruptura de los materiales quebradizos; el secreto se encuentra en el rechinar de dientes.

Un colega, ingeniero mecánico, nos ha compartido el presente artículo escrito por Allison Mills, y publicado en el boletín digital del Michigan Technological University el 3 de septiembre de 2019.

La fuerza de los dientes se mide en la escala de milímetros. Las “sonrisas de porcelana” son algo así como cerámica, excepto que si bien los platos de porcelana se rompen cuando se chocan entre sí, nuestros dientes no lo hacen, y es porque están llenos de defectos.

Esos defectos son lo que inspiró la investigación dirigida por Susanta Ghosh, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica en la Michigan Technological University.

El trabajo se publicó recientemente en la revista Mechanics of Materials haciendo equipo con los estudiantes de posgrado cuya investigación está enfocada en este tema: Upendra Yadav, Mark Coldren y Praveen Bulusu, así como su colega ingeniera mecánica Trisha Sain Ghosh, quienes examinaron lo que se llama la microarquitectura de materiales frágiles como el vidrio y la cerámica.

"Desde la época de los alquimistas, la gente ha intentado crear nuevos materiales", dijo Ghosh.

"Nuestro trabajo fue a nivel químico y trabajamos a microescala. Cambiar las geometrías (la microarquitectura) de un material es un nuevo paradigma y abre muchas posibilidades nuevas porque estamos trabajando con materiales conocidos".

El vidrio es uno de esos materiales. Hacer vidrio más resistente nos llevó necesariamente a estudiar los dientes y a las conchas marinas. En el nivel micro, los componentes primarios duros y quebradizos de los dientes y las carcasas de las conchas tienen interfaces débiles o defectos. Estas interfaces están llenas de polímeros blandos.

A medida que los dientes rechinan y las conchas chocan, las partes blandas amortiguan las placas duras, dejándolas deslizarse una sobre la otra. Bajo una mayor deformación, se enclavan como cierres de velcro, llevando así enormes cargas. Pero mientras mastica, nadie podría ver la forma de un diente cambiar a simple vista. La microarquitectura cambiante ocurre en la escala de micras, y su estructura de enclavamiento rebota hasta que un caramelo pegajoso o un grano de palomitas de maíz deshuesado empuja las placas deslizantes hasta el punto de ruptura.

Ese punto de quiebre es lo que estudia Ghosh. Los investigadores en el campo han descubierto en experimentos que agregar pequeños defectos al vidrio puede aumentar la resistencia del material 200 veces. Eso significa que los defectos suaves ralentizan la falla, guían la propagación de grietas y aumentan la absorción de energía en el material frágil.

"El proceso de falla es irreversible y complicado porque las arquitecturas que atrapan la grieta a través de una ruta predeterminada pueden ser curvas y complejas", dijo Ghosh. "Los modelos con los que trabajamos intentan describir la propagación de fracturas y la mecánica de contacto en la interfaz entre dos bloques de construcción quebradizos".

El equipo de Ghosh desarrolló dos modelos. El primero usa modelado de elementos finitos (FEM) y es detallado y altamente preciso, pero costoso. El segundo es sorprendentemente preciso, aunque menos que las técnicas FEM, y es mucho más barato de calcular.

FEM es un modelo numérico que separa un todo complejo mediante la evaluación de piezas separadas, llamadas elementos finitos, y luego vuelve a unir todo utilizando el cálculo de variaciones.

A Humpty Dumpty y a todos los hombres del rey les hubiera gustado FEM, pero no es un truco rápido en la carretera. Para ejecutar cálculos tan complejos se requiere una supercomputadora, como la existente en Michigan Tech, y garantizar que las entradas correctas se conecten requiere diligencia, paciencia y un buen ojo para codificar los detalles. Usar FEM para un vidrio súper fuerte significa modelar todas las posibles interacciones entre las placas duras y los puntos blandos del material. El modelado analítico ofrece una alternativa.

"Queríamos un modelo simple y aproximado para describir el material", dijo Ghosh, explicando que el equipo utilizó ecuaciones matemáticas más básicas que los cálculos FEM para delinear y describir las formas dentro del material y cómo podrían interactuar. "Por supuesto, un experimento es la prueba definitiva, pero un modelado más eficiente nos ayuda a acelerar el proceso de desarrollo y ahorrar dinero al enfocarnos en materiales que funcionan bien en los modelos".

Tanto el FEM como el modelado analítico de microarquitectura del laboratorio de Ghosh pueden ayudar a hacer que la cerámica, los implantes biomédicos y el vidrio en los edificios sean tan duros como nuestros dientes.

Fuente de la historia:

https://www.mtu.edu/unscripted/stories/2019/august/the-secret-strength-of-gnashing-teeth.html