Por qué las grietas no siguen un camino recto: el hallazgo que revela las leyes ocultas de los materiales

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Los materiales que componen todas las estructuras y sistemas físicos que nos rodean, incluyendo nuestros propios cuerpos, no son perfectos; contienen defectos en forma de pequeñas grietas. Cuando una de estas grietas se extiende repentina y rápidamente, puede ser mortal, pero los ricos e intrincados patrones que forman las grietas también pueden ser espectaculares e intrigantes.

Hasta ahora, los físicos han luchado por proporcionar un marco teórico que explique por qué las grietas a menudo se ramifican y se desvían de su trayectoria esperada, ralentizándose como resultado. Dos estudios recientes del Instituto de Ciencias Weizmann ordenan la propagación desordenada de las grietas y demuestran que, aunque cada grieta pueda parecer única, existen parámetros físicos cuantitativos que configuran el proceso de propagación y explican la formación de patrones de grietas asimétricos.

Décadas de experimentos controlados sobre fallas de materiales han demostrado que incluso cuando se crea una grieta perfectamente simétrica bajo fuerzas de tracción, esta pierde espontáneamente la simetría a medida que se propaga, desviándose de su curso y moviéndose más lentamente de lo esperado.

“Estas observaciones son exactamente lo opuesto a lo que esperaríamos con base en cálculos teóricos, que predicen que incluso si introducimos un pequeño obstáculo en la trayectoria de una grieta simétrica bajo tensión, la grieta debería volver a una trayectoria suave y simétrica”, afirma el profesor Eran Bouchbinder. “Dada la evidencia experimental, asumimos que debe haber eslabones perdidos: propiedades físicas pasadas por alto que podrían explicar el comportamiento observado”.

En uno de los dos estudios, publicado en Nature Communications y dirigido por el doctor Yuri Lubomirsky, entonces estudiante de doctorado en el grupo de Bouchbinder en el Departamento de Física Química y Biológica de Weizmann, los investigadores utilizaron un modelo informático para simular la propagación de grietas en materiales tridimensionales.

“Para comprender la propagación de grietas, nos centramos en la punta de la grieta, el punto donde el material pasa de estar intacto a fracturado”, explica Lubomirsky.

“Si bien las condiciones moderadas prevalecen en la mayor parte del material la mayor parte del tiempo, lo que significa que su comportamiento a menudo puede comprenderse promediando sus propiedades, la punta de la grieta se rige por condiciones extremas. Magnitudes físicas como la fuerza, la temperatura y la velocidad son tan grandes allí que pueden considerarse matemáticamente como si se acercaran al infinito, y las reglas físicas habituales ya no se aplican. Postulamos que la punta de la grieta podría revelar las propiedades ocultas que explican la propagación asimétrica de grietas”.

La ardua búsqueda de siete años de los investigadores para encontrar estas propiedades físicas faltantes fue, en ocasiones, frustrante.

“Finalmente, el gran avance provino de la introducción de un desorden significativo en las simulaciones, un factor previamente ignorado en las teorías dinámicas de fallas de materiales. Realizamos numerosas simulaciones utilizando capacidades informáticas avanzadas y observamos que la grieta inicialmente se mueve en línea recta hasta que llega a un punto donde se divide localmente y luego cambia de dirección”, afirma Bouchbinder.

“El desafío fue extraer, de la enorme cantidad de datos, el principio básico que explica por qué la grieta se ramifica y se desvía de una trayectoria uniforme y simétrica. Un día, le pedí a Yuri que cruzara dos gráficos, y fue entonces cuando lo entendí: el desorden intrínseco de los materiales del mundo real, combinado con las condiciones extremas en la punta de la grieta, resultó ser el eslabón perdido”.

Las reglas de los cracks

Las leyes de la física explican bastante bien el comportamiento de los materiales uniformes, pero la mayoría de los materiales del mundo no son realmente uniformes. El vidrio, por ejemplo, parece liso y homogéneo, pero un análisis más detallado de sus partículas y las conexiones entre ellas revela una estructura sin un orden consistente. Esto significa que las fuerzas internas que actúan dentro del vidrio varían de una región a otra.

Hasta ahora, los ingenieros y científicos que intentaban comprender la dinámica de las fracturas se habían basado en propiedades promedio de los materiales y, por lo tanto, no lograban explicar por qué las grietas rompen la simetría. Bouchbinder y Lubomirsky se dieron cuenta de que la respuesta reside en el grado de desorden interno; es decir, en cuánto varía la resistencia del material de un lugar a otro.

Los investigadores aplicaron fuerzas de fractura variables a su modelo informático y estudiaron la relación entre la propagación de grietas y el desorden del material. Observaron que, cuando las fuerzas de fractura eran débiles, las grietas se propagaban simétricamente sin ramificarse y eran prácticamente inafectadas por el desorden. Sin embargo, cuando las fuerzas de fractura eran moderadas, las grietas se volvían sensibles al desorden: cuando la punta de la grieta alcanzaba una región más débil, se desarrollaban inestabilidades locales, lo que provocaba que la grieta se dividiera localmente en lugar de continuar en línea recta.

Estas ramificaciones locales competían entre sí: una se detenía mientras la otra continuaba como la grieta principal, cambiando a menudo de dirección. El examen retrospectivo de estas regiones reveló microfisuras donde las ramificaciones secundarias se habían detenido.

En otras palabras, en este régimen, la extensión de la ramificación dependía directamente del grado de desorden. Finalmente, cuando las fuerzas de fractura superaban un umbral crítico, la grieta ya no se detenía en los puntos de inestabilidad, sino que se dividía en ramas completamente separadas que se ensanchaban y penetraban más profundamente en el material. En este régimen de alta fuerza, el desorden volvió a desempeñar un papel menor. La desviación de las grietas de su eje de simetría y la formación de ramificaciones tienen un coste energético: se rompe una mayor cantidad de material y la velocidad de la grieta disminuye respecto a la que habría alcanzado si hubiera permanecido lisa y simétrica.

Otro fenómeno común en las grietas, también relacionado con la ruptura de la simetría, es la formación de escalones compuestos por dos superficies de fractura en interacción. En un estudio posterior publicado en Physical Review Letters, los investigadores investigaron cómo se forma este patrón. Descubrieron que la formación de escalones depende no solo del grado de desorden interno, sino también de las ligeras desviaciones de la simetría perfecta causadas por las fuerzas de tensión externas.

Además de las fuerzas de tensión que abren la grieta, casi siempre hay fuerzas perpendiculares que hacen que las caras de la grieta se deslicen una sobre la otra en un movimiento de rotación. Al incorporar ambos tipos de fuerza y ​​el desorden interno en su modelo matemático, los científicos lograron predecir y explicar la aparición del patrón de escalones.

“Estos descubrimientos proporcionan un marco físico y matemático para comprender el fallo de los materiales a través de la dinámica de grietas que encontramos en la vida cotidiana”, afirma Bouchbinder.

Lubomirsky añade: “Nuestros hallazgos también podrían ayudar a diseñar materiales más resilientes al agrietamiento catastrófico. Demostramos que un mayor desorden puede ralentizar la propagación de grietas, un descubrimiento que podría tener implicaciones significativas para el diseño de estructuras y sistemas físicos. Materiales naturales como los huesos y los dientes han evolucionado para resistir las fallas, y es posible que su desorden interno sea uno de los factores clave de su resiliencia. Aquí es donde nuestros hallazgos también arrojan nueva luz sobre el funcionamiento de la naturaleza”.