La mecánica detrás del colapso de la estructura de los materiales blandos ha desconcertado a los investigadores durante décadas. En un nuevo estudio, los investigadores descubren una métrica que finalmente correlaciona los procesos a nivel microscópico con lo que se ve a nivel macroscópico.

La nueva métrica está preparada para ayudar a generar avances en varios desafíos de ingeniería de materiales, que van desde la formulación de mejores tintas de impresión 3D, la construcción de sensores y dispositivos electrónicos flexibles portátiles, la impresión precisa de implantes biomédicos, hasta ayudar a controlar deslizamientos de tierra y avalanchas, y incluso mejorando las texturas de los alimentos procesados ​​y los productos de cuidado personal, dijeron los investigadores.

Un equipo de ingenieros químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha logrado muchos avances en la comprensión de cómo los materiales blandos fallan, o ceden, a la fuerza. Sin embargo, conectar las observaciones a mayor escala del equipo con lo que sucede a nivel de microescala sigue siendo difícil de alcanzar.

En el estudio, los investigadores de la U. of I. en colaboración con equipos del Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad Johns Hopkins y la Universidad de Ottawa, explican esta relación con una nueva métrica que llaman « relación de correlación ».

Los hallazgos se publican en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

El equipo utilizó una técnica de microscopía de alta potencia, llamada reo-espectroscopía de correlación de fotones de rayos X, para estudiar las relaciones estructura-propiedad dependientes del flujo y los materiales blandos en tiempo real.

Rheo-XPCS es una de las pocas técnicas que permite a los investigadores realizar un análisis de rayos X de un material a medida que se deforma, mientras lo miden simultáneamente con reómetros (dispositivos que miden la tensión y la tensión) directamente en línea con un X- haz de rayos, dijeron los investigadores.

« Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, no hemos podido distinguir cuándo un material cambia de comportamiento sólido a líquido a escala microestructural », dijo el profesor de ingeniería química y biomolecular de Illinois, Simon Rogers, quien dirigió el proyecto. « El Rheo-XPCS en Argonne National Lab nos brinda una mirada sin precedentes al comportamiento a microescala de los materiales blandos que ceden al estrés ».

En el laboratorio, el equipo trabajó con un material llamado vidrio coloidal blando, que es un sistema desordenado de nanopartículas hechas de sílice.

« Lo llamamos un material blando porque las interacciones entre partículas hacen que sea un poco blando, como si un montón de globos de agua se juntaran para formar un material », dijo Gavin Donley, el primer autor del estudio y exestudiante graduado de Illinois. ahora en la Universidad de Georgetown. « Usamos este material específico porque proporciona una fuerte señal de rayos X que podemos registrar mientras realizamos mediciones macroscópicas simultáneas ».

Esta técnica permitió a los investigadores presenciar finalmente la conexión directa entre los desplazamientos microscópicos y el comportamiento macroscópico, lo que les permitió definir el comportamiento utilizando términos matemáticos.

« Llegar a los aspectos prácticos de este problema es un paso adelante para que los futuros investigadores que quieran diseñar nuevos materiales blandos puedan hacerlo modificando varios parámetros de microescala para obtener una propiedad de macroescala deseada », dijo Donely. « Todavía no hemos llegado allí, pero hemos demostrado una correlación matemática claramente definida entre la microescala y la macroescala ».

El Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá apoyaron la investigación.