La última vez que dejó caer su taza favorita o se sentó sobre sus vasos, es posible que estuviera demasiado preocupado como para prestar mucha atención al intrincado patrón de grietas que aparecieron en el objeto roto.Pero capturar la formación de tales patrones es la especialidad de John Kolinski y su equipo en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de Interfaces Suaves (EMSI) de la Escuela de Ingeniería de la EPFL.

Su objetivo es comprender cómo se propagan las grietas en los sólidos frágiles, lo cual es esencial para desarrollar y probar materiales compuestos seguros y rentables para su uso en la construcción, los deportes y la ingeniería aeroespacial.

Pero los enfoques de la mecánica tradicional para analizar la formación de grietas suponen que las grietas son planas, es decir, que se forman en la superficie bidimensional de un material.De hecho, las grietas planas simples son sólo la punta del iceberg: la mayoría de las grietas, como las de los sólidos frágiles cotidianos como el vidrio, se propagan en redes tridimensionales de crestas y otras características complejas.

Debido a la opacidad del material y la velocidad con la que se forman las grietas, observar esta complejidad en tiempo real es extremadamente difícil.Pero ahora, armados con una navaja suiza y un microscopio confocal, Kolinski y su equipo han logrado hacer precisamente eso: y han descubierto una correlación positiva entre la complejidad de las grietas y la dureza del material en el proceso.

"La energía necesaria para abrir grietas se ha considerado tradicionalmente una propiedad del material, pero nuestro trabajo proporciona conocimientos únicos sobre el papel clave de la geometría: es decir, que al aumentar la complejidad de las características geométricas en la punta de la grieta, un material puede hacerse más resistente"., porque se requiere más energía de deformación para avanzar en una grieta compleja que en una simple", dice Kolinski."Esto resalta una brecha importante en la teoría actual sobre las grietas 3D".

Los resultados del laboratorio se han publicado recientemente enFísica de la naturaleza.

Un vínculo fundamental entre longitud y fuerza.

El método de los investigadores implicó la creación de rodajas muy finas de cuatro hidrogeles diferentes y un elastómero.Transparentes y quebradizos, pero fáciles de deformar y medir sin romperse, los hidrogeles sirvieron como indicador para comprender cómo se forman las grietas en el vidrio y los plásticos quebradizos.El elastómero también sirvió como sustituto de materiales como el caucho y los polímeros de silicona.

Si bien las grietas experimentales se observaron con un microscopio confocal de última generación, se indujeron utilizando una navaja suiza estándar: la acción cortante de las tijeras del dispositivo produjo naturalmente grietas geométricamente complejas en las muestras de hidrogel.

Utilizando un aparato personalizado desarrollado por el equipo de EMSI para controlar la alineación y carga de las muestras, se generó una serie de imágenes fluorescentes con elmicroscopio confocaly luego se apilan para armar un mapa tridimensional único de cada superficie de fractura.

"La gente sabe desde hace mucho tiempo que las grietas pueden volverse complejas al observar las superficies de fractura después del hecho, pero lo que se pierde es la comprensión de las condiciones de carga cuando surgió la grieta, o a qué fuerzas estuvo expuesta la muestra", explica Kolinski."Nuestro innovador método de obtención de imágenes ha hecho posible caracterizar esta relación rigurosamente in situ".

En pocas palabras, estos experimentos revelaron que la energía de deformación necesaria para impulsar las grietas de la muestra era directamente proporcional a la longitud de las puntas de las grietas.Esto sugiere que la mayor complejidad geométrica de una grieta 3D genera más superficie de fractura a medida que la grieta avanza, por lo que se requiere energía de deformación adicional para impulsarla.

En otro experimento, los investigadores mostraron cómo, cuando una grieta más suave se acercaba a un obstáculo rígido incrustado en la muestra, la simetría plana de la grieta se rompía, aumentando tanto la longitud de la punta de la grieta como la energía necesaria para impulsar la grieta hacia adelante.

"El hecho de que podamos aislar cómo surge la complejidad geométrica con tal falta de homogeneidad en el material podría motivar nuevos enfoques de diseño", dice Kolinski."Nuestro trabajo también destaca la importancia del cuidado al realizar pruebas de materiales, ya que ahora sabemos que cualquier desviación geométrica de un frente de grieta plana puede llevar a una medición errónea, y a una sobreestimación potencialmente peligrosa, de la dureza del material".