Comprender las fracturas: de las microestructuras a los terremotos

En su investigación, David Kammer aborda un fenómeno bastante impopular: la rotura.

Utilizando simulaciones por ordenador y experimentos de laboratorio, estudia fracturas en todas las escalas, desde fenómenos a nanoescala en fibras de colágeno hasta procesos tectónicos en terremotos. Se centra en el papel de los cambios mínimos que pueden tener un impacto importante en las propiedades de los materiales.

18/12/2024 por Oliver Morsch

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Las fracturas son algo que generalmente se debe evitar: a nadie le gusta romperse el brazo y las fracturas de materiales en edificios o puentes pueden incluso poner en peligro la vida. Para David Kammer, sin embargo, son la clave para obtener conocimientos más profundos sobre los mecanismos físicos de los materiales y los procesos naturales. Como profesor asistente de mecánica computacional de materiales en el Departamento de Geomática Civil, Ambiental y de la ETH Zurich, estudia cómo surgen y se propagan las fracturas y cómo pueden evitarse o controlarse específicamente.

De pequeño a grande

«Nuestra investigación abarca una amplia gama de tamaños, desde los componentes más pequeños del hormigón o las fibras del cuerpo humano hasta las placas tectónicas que desempeñan un papel en los terremotos», explica Kammer. Su grupo de investigación utiliza principalmente modelos matemáticos para llegar al fondo de las propiedades, a menudo desconcertantes, de las fracturas. «Estos modelos son bastante simples, pero aún así tienen en cuenta muchos procesos físicos al mismo tiempo, lo que nos permite una visión más profunda y una mejor comprensión de los fenómenos».

Toda ruptura comienza con un punto débil: un punto del material cede y desencadena una reacción en cadena que conduce a la ruptura. Exactamente cómo funciona esto depende en gran medida del material. Por ejemplo, en un proyecto conjunto con investigadores de EE. UU., Kammer modeló fibras de colágeno en huesos humanos. Los datos clínicos han demostrado que los huesos de las personas con diabetes tipo 2 son más susceptibles a fracturas que los de personas sanas. Una hipótesis fue que en la diabetes las moléculas de colágeno del hueso se vuelven más interconectadas. La simulación de Kammer confirmó esta suposición: incluso los cambios microscópicos más pequeños hacen que las fibras de colágeno se vuelvan más frágiles, lo que perjudica significativamente la estabilidad del hueso.

Más rápido que el límite de velocidad

Tan pronto como se produce una fractura en un material, la velocidad de su propagación determina el destino futuro del material. Las simulaciones de Kammer ofrecen explicaciones para fenómenos aparentemente desconcertantes o contradictorios. Entre otras cosas, se sabía que las fracturas, como las provocadas por los terremotos, en determinados materiales se propagan más rápidamente de lo que se suponía hasta ahora. Normalmente, la llamada velocidad de Rayleigh, un límite de velocidad resultante de leyes físicas y propiedades de los materiales, limita la propagación de las fracturas.

Sin embargo, la investigación de Kammer muestra que cambios mínimos en los supuestos pueden eliminar este límite. Si se supone que la deformación del material bajo carga no es lineal, sino ligeramente no lineal (es decir, que una fuerza doble causa más de una deformación doble), entonces la fractura puede propagarse más rápido de lo esperado. Las leyes físicas subyacentes permanecen sin cambios. «Nuestros estudios muestran que incluso una ligera no linealidad en las propiedades del material es suficiente para aumentar la velocidad de fractura», explica Kammer. «Este resultado abre la puerta a muchas más preguntas sobre la dinámica de las fracturas».

«Los metamateriales son un verdadero ‘tema candente’, pero todavía sabemos muy poco sobre sus propiedades de fractura.»David Kammer

Los defectos específicos detienen las fracturas

El campo de investigación de Kammer también incluye la investigación de materiales con estructuras artificiales, los llamados metamateriales. Estos se optimizan para determinadas propiedades mediante estructuras de celosía geométricas especiales, a menudo inspiradas en formas naturales como los panales. «Los metamateriales son un tema muy candente», subraya Kammer, «pero todavía sabemos muy poco sobre sus propiedades de fractura».

Al simular fracturas en estos materiales, Kammer hizo un descubrimiento notable: si se incorporan defectos específicamente en la estructura, las fracturas no se propagan más fácilmente, sino todo lo contrario. El defecto desvía la fractura de su “línea ideal” y este desvío forzado hace que la fractura gaste más energía para propagarse. En última instancia, esto lo frena. Este hallazgo, que el equipo de Kammer está probando ahora en el laboratorio, podría ofrecer nuevos enfoques para el diseño de materiales específicamente fabricados resistentes a la rotura.

Kammer también cuestiona supuestos fundamentales a escala macro, por ejemplo al analizar terremotos. Para comprender mejor la formación y propagación de los terremotos, los investigadores suelen utilizar experimentos de laboratorio para probar modelos teóricos. Kammer examinó de cerca algunos de estos experimentos y demostró que los enfoques que han recibido menos atención hasta ahora describen los resultados de laboratorio mejor que los modelos convencionales. «Para comprender si nuestros nuevos enfoques también describen mejor los terremotos reales, necesitamos conocer mejor las condiciones en los puntos de fractura tectónica», afirma Kammer. Por ejemplo, al igual que las fibras de colágeno de los huesos humanos, los terremotos también dependen de lo frágiles que sean las placas tectónicas.

La formación y propagación de fracturas todavía plantea muchos misterios para la ciencia. Comprenderlos mejor es de vital importancia en muchos ámbitos, especialmente en lo que respecta a la seguridad de materiales y estructuras. La investigación de Kammer muestra cómo pequeños cambios en la estructura o en los supuestos pueden tener grandes impactos.

experimentos de laboratorio

• Montaje experimental para analizar las propiedades de fractura de materiales con estructuras artificiales. (Foto: Alessandra Lingua)
• Patrones de fractura de materiales con diversas estructuras artificiales. (Foto: Alessandra Lingua)

ETH News. O. M. Traducido al español