Crean un nuevo método que prevé y describe la rotura de materiales

Antonio J. Pons, investigador del grupo de Dinámica y Óptica no Lineal y Láseres de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) en el Campus de Terrassa, ha desarrollado un nuevo modelo matemático que ha originado una nueva ley física, la cual describe cómo se rompe un material en todas sus fases y permite predecir la manera en que lo hará, antes de producirse la fractura.

Es la primera vez en el mundo que se aplica este modelo para describir objetos o materiales en 3 dimensiones (3D), es decir, todos aquellos que presentan volumen en el espacio y que son isótropos, con una estructura homogénea. La investigación, publicada la primera semana de marzo en la revista Nature, se ha realizado en colaboración con el investigador Alain Karma, profesor de la Northeastern University de Boston (Estados Unidos).

Simulación potente

Todo lo que se encuentra a nuestro alrededor es material, desde el punto de vista tecnológico, físico y geológico, y todo es susceptible de romperse: el ala de un avión, la columna que sustenta un edificio, el casco de un barco, la tubería de un conducto o incluso la misma estructura geológica de la Tierra, como una falla. Hasta ahora, la ciencia intentaba entender la manera en que se rompen los objetos más simples, como los bidimensionales, como una hoja de papel, pero la rotura de los objetos tridimensionales se resistía a los científicos.

Se sabe que, si se aplican determinadas tensiones a los objetos, estos se rompen, pero aún se desconocen qué fuerzas describen la trayectoria de la fractura y cómo se produce. El trabajo de Antonio J. Pons pone fin a esta incertidumbre, ya que ha creado un modelo de simulación suficientemente potente como para ser capaz de predecir y describir la ruptura de estructuras que van desde las microscópicas hasta las más grandes, como algunas fallas geológicas. Y es que este modelo de simulación reproduce todas las escalas del proceso de ruptura, desde el inicio hasta el final. De esta manera, si se conocen los comportamientos de determinados materiales, se podrán diseñar nuevos materiales mucho más resistentes a la fractura.

Cómo se rompen algunos materiales

Un material, es decir, cualquier objeto o elemento sólido de nuestro entorno, se puede fracturarse de tres maneras diferentes: de arriba abajo (como se rompe la falla de San Andrés, en California), en horizontal como una cizalla, o de forma desgarrada, como un cable cuando se tensiona y al mismo tiempo se tuerce.

Por poner otros ejemplos, la Falla de la Cordillera del interior en Venezuela se rompe de forma mixta, según el primer y el tercer modelo, el cigüeñal del motor de un coche se rompe por torsión y fatiga; una llave inglesa también para fatiga; los materiales polímeros se rompen igual que las rocas, a las rupturas de los objetos fabricados con vidrio se pueden observar las mismas franjas de fractura que en las fracturas geológicas.

El nuevo método de Antoni Pons, en definitiva, permite a la comunidad científica describir, a partir de ahora, los procesos de fractura de los materiales desde su estado inicial, durante su evolución, y la fractura final en todas las escalas. Además, permite describir matemáticamente en tres dimensiones. Igualmente, el método facilita la realización de simulaciones numéricas que, hasta ahora, eran imposibles de hacer.

Gracias a esta investigación, se puede predecir la forma de los frentes de fractura antes de que éstos se produzcan. Por lo tanto, puede tener aplicaciones en la prevención de desastres y en la optimización de materiales o nuevas técnicas de producción de elementos microscópicos. También permitiría prever i entender mejor como se fracturan los huesos afectados por determinadas patologías, como la osteoporosis.

Macro y microutilidades tecnológicas

"La potencialidad de nuestro método es muy grande porque nos permite estudiar y entender problemas naturales que tienen repercusiones tecnológicas", explica Pons. La investigación del investigador de la UPC puede ser muy útil, por ejemplo, en el campo de la tecnología de materiales, ya que, si el modelo es capaz de reproducir rupturas a nivel microscópico, también se podrá utilizar para lograr entender como poder -las controlar, lo que abre la posibilidad de utilizar las estructuras resultantes como moldes microscópicos. Esta sería, sin embargo, una fase posterior de la investigación.

Otra aplicación útil de este modelo matemático es en el conocimiento del comportamiento de grandes estructuras, como los edificios que se construyen en zonas de gran actividad sísmica. En este sentido, el nuevo método permite modificar la estructura de los materiales de construcción, para hacerlos más seguros.

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Vídeos del nuevo método a la versión electrónica del artículo:

http://www.nature.com/nature/journal/v464/n7285/extref/nature08862-s2.mov
http://www.nature.com/nature/journal/v464/n7285/extref/nature08862-s3.mov
http://www.nature.com/nature/journal/v464/n7285/extref/nature08862-s4.mov