materiales – Blog UCLM de Gonzalo Rodríguez Prieto

Compuestos plásticos y de nácar con transparencias como las del vidrio.

Los vidrios(1) son materiales muy útiles para el ser humano. Son duros, impermeables, suelen ser resistentes a los ataques químicos de muchas sustancias, se pueden reciclar con facilidad, por no mencionar su transparencia a la luz visible, que los hace tan útiles en la formación de lentes y elementos del estilo.

Pero tiene algún problema, el principal su fragilidad. Son muy duros, por eso aguantan muy bien grandes tensiones, pero son frágiles: cualquier golpe lo hace romper. Otros sustitutos más flexibles, como el plástico, son maleables, pero blandos y no aguantan grandes temperaturas.

Recientemente, un grupo de científicos ha conseguido crear un material que combina características tanto de plásticos transparentes como de vidrios: es muy duro y transparente a la vez. Usando una mezcla de polímero metacrilato y láminas planas de vidrio de tamaño micrométrico han creado un compuesto que han denominado «compuesto nacarado» por la similitud de sus propiedades mecánicas con el nácar natural.

Los investigadores se fijaron en el nácar por sus propiedades mecánicas: es unas tres mil veces más duro que los elementos que lo forman y tiene una resistencia a la fractura también muy alta. Comentan también que con la intención de copiar la estructura del nácar para su uso industrial, varias técnicas se han implementado, desde la aplicación de películas delgadas hasta su infiltración con polímeros entre láminas de cristal. También se ha intentado formar estructuras en el cristal que imiten la del nácar empleando láseres u otros métodos, pero son sistemas muy caros y de difícil escalibilidad industrial.

Así, en su investigación los autores tenían que lograr dos objetivos distintos en el material que crearon: tener una parte dura y muy poco flexible, muy unida a otra parte flexible y deformable. Además, para que la transmisión de luz fuera buena, el índice óptico de ambas partes del material deberían coincidir lo mejor posible. Por eso emplearon vidrios transparente como componente duro y metacrilato como componente blando. El problema es que, si bien el metacrilato es transparente, no tiene el mismo índice de refracción del vidrio, con lo que el conjunto no sería muy transparente. Pero lo pudieron solucionar añadiendo un dopante al metacrilato que alteró su índice de refracción hasta hacerlo muy similar al del vidrio, algo que ya estaba resulto previamente.

De todas formas, el tener los materiales no es el final de la historia: también hay que lograr que la estructura de la mezcla sea la adecuada. Para ello, los vidrios los añadieron en forma de láminas, para imitar la forma que tiene el nácar de láminas pegadas con el material más blando. Y claro, también tuvieron que lograr que vidrios y metacrilato se pegaran bien. Para ello, prepararon las láminas de vidrio con compuestos que alteraron su superficie para favorecer su mezcla con el metacrilato. Luego, para que el producto mezclado adoptara la forma adecuada, lo centrifugaron(2) de forma que las tablillas de vidrio y el metacrilato adoptaron la forma de los ladrillos y el cemento en una pared. Después, polimerizaron el metacrilato mediante tres etapas de calentamiento.

El resultado, después de dopar el polímero, fue un material con una transparencia muy parecida a la de cualquier vidrio incluido el comercial(3) como se observa en la figura siguiente, que muestra su transparencia de una manera muy visual.

Comprobación de la transparencia del nuevo material. El material más opaco tiene la misma composición, pero sin ajustar el índice de refracción mediante el dopante para el metracilato. La diferencia es claramente visible. De la fig. 1 A del artículo citado.

Por otra parte, además de verlo de una manera tan visual, lo midieron directamente. Es decir, comprobaron la trasmitancia de la luz en las longitudes de onda del visible, de 400 a 700 nm, de este material y lo compararon con vidrios y otros intentos previos de otros investigadores. Como muestra la figura siguiente, su material tiene propiedades muy similares al vidrio comercial en las longitudes de onda visibles.

Transmitancia de la luz para varios materiales. La línea roja a rayas es la del vidrio, «soda-lime glass slide» en el texto en inglés, mientras que las negras son intentos previos de otros investigadores y la amarilla es la del producto que han desarrollado, que llama «PMMA-12% dopant». En el rango de la luz visible su transparencia es muy parecida a la del vidrio, atenuando sobre todo la radiación ultravioleta cercana del comienzo de la gráfica, longitudes de onda de 350 a 400 nm. De la fig. 1 B del artículo citado.

Por otra parte, si este material tiene que sustituir al vidrio, también tiene que ser fuerte. Idealmente, debería tener mayor flexibilidad para convertirse en un «vidrio flexible». En el artículo resaltan la importancia del centrifugado, dado que logra concentrar y ordenar las placas de vidrio de tal forma que su estructura interna se hace más resistente sin perder demasiada flexibilidad, como indica la figura siguiente.

Curva de esfuerzo de flexión para el material preparado con el tratamiento superficial de las láminas de cristal y centrifugado de la mezcla, línea negra, sin centrifugado, línea roja, y sin tratar las láminas ni centrifugar el material, línea azul. La mejora en las propiedades de flexión, aguantando mucha más presión, es obvia para el material completo. De la fig. 3 A del artículo citado.

Para terminar el artículo los autores comparan su material en el diagrama de Ashby(4) compuesto con la resistencia a la fractura y la tensión, donde claramente su material se compara muy favorablemente con varios materiales comerciales actuales, como muestra la figura siguiente:

Diagrama de Ashby de varios materiales, incluido el fabricado por los autores del artículo, que señalan con color rojo. Como se ve, es mejor que algunos vidrios comerciales, incluido el vidrio templado en resistencia a la fractura y tensión soportada. Las conchas de los moluscos , «Mollusc shell», y el la parte externa del hueso, «Cortical bone», son mejores materiales en cuanto a dureza, si bien se rompen con menor fuerza. De la fig. 5 del artículo citado.

El material que han logrado es impresionante: puede competir con varios vidrios artificiales, siendo mejor que ellos y es transparente en la luz visible. La verdad es que sería un material maravilloso para parabrisas y ventanas, que serían mucho más resistentes.

El artículo se publicó en la revista Science: Science, Vol. 373, Nº 6560. pp. 1229-1234 • DOI: 10.1126/science.abf0277.

Notas:

(1) Aunque a veces se los confunda, «cristales» y «vidrios» son cosas muy distintas para los físicos y otros científicos. Un cristal es un material cuya estructura interna es la repetición de unidades iguales, llamadas celdas, con una geometría muy bien definida. Por ejemplo, un cubo, una pirámide, etc. Los vértices de las figuras son los lugares ocupados por los átomos y la configuración es debida a las fuerzas entre los átomos. Un vidrio es un material cuya estructura interna no esa tan bien definida, es mucho más amorfa. Las entradas en la Wikipedia en Español lo explican bastante bien: Wiki:Cristal y Wiki:Vidrio.

(2) Es decir, lo mezclaron dándole vueltas a muy alta velocidad.

(3) En inglés se llama soda-lime-glass.

(4) Los diagramas de Ashby son gráficas donde dos propiedades relacionadas de un material se colocan como ejes para poder comparar mejor las ventajas y desventajas de su uso. El artículo en Inglés de la Wikipedia sobre selección de materiales lo explica muy bien: Wiki: Material Selection.

Fabricación de hidrogeles que se parecen a tendones.

Un artículo reciente de la revista Nature explica la fabricación de estructuras artificiales basadas en hidrogeles(1) que se parecen a los tendones.

Comienzan el artículo con un detalle que a menudo se pasa por alto: los materiales de origen biológico, como madera, nácares, etc. tienen propiedades física que son incompatibles entre sí. Lo mismo pasa con tejidos vivos: los músculos y tendones son fuertes y blandos a la vez. Esta aparente contradicción, no conocemos materiales artificiales que sean a la vez duros y blandos, se produce por un fenómeno muy particular: la presencia de estructuras jerárquicas multiescala.

«Estructuras jerárquicas multiescala» es un concepto algo difícil de definir. Una estructura jerárquica es cualquier construcción cuyo resultado final sea completamente dependiente de las formas de los elementos más pequeños empleados. Por ejemplo, el plegamiento de las proteínas es una estructura jerárquica: la forma final de la proteína depende por completo de la forma de los elementos químicos y sus moléculas y de cómo se organizan. Si es multiescala, entonces quiere decir que cada nivel de esta estructura tiene una escala característica de longitud distinta. Así, por ejemplo los tendones son estructuras jerárquicas multiescala porque su forma final depende por completo de las diversas estructuras que lo forman, y además las longitudes características de cada nivel son distintivas: El tejido total es macroscópico, con longitudes características de mm o cm, a su vez las diversas membranas que lo forman tiene longitudes característica del orden de los 10^-2 – 10^-3 mm, etc.

Pues bien, el artículo dice que comparado con materiales biológicos que soportan carga, como los tendones(2), los hidrogeles normales son débiles y frágiles. Sólo pensando el número de años que los tendones humanos funcionan razonablemente bien, es algo muy claro. Continúa el artículo hablando de los diversos métodos que se han empleado para poder hacer los hidrogeles mejores materiales para su uso humano, es decir, lograr materiales más duros y resistentes en el tiempo. Los investigadores explican que los métodos empleados hasta ahora se podían dividir en dos grupos: aquellos que mantenían la estructura del hidrogel sin grandes modificaciones, que modificaban sus propiedades mediante la adición de partículas o químicos al hidrogel, y los que creaban estructuras anisótropas(3). Algunos de los métodos para crear estas estructuras son relativamente sencillos de implementar, como congelarlos sometidos a una tensión en una dirección predeterminada.

Pero estos dos métodos alteran la estructura del hidrogel a una sola escala y además, producen materiales mejores que los de partida sólo a veces. De hecho, sigue siendo difícil poder hacer hidrogeles con características estructurales y materiales similares a los materiales biológicos como los tendones cuya fabricación sea sencilla.

Los investigadores del artículo decidieron usar una combinación de métodos para desarrollar su hidrogel: por una lado, la adición de sales a la composición del hidrogel altera los posibles estados de agregación del material, y combinado con congelado direccional del material previo, obtuvieron estructuras cuya forma final depende de las estructuras más pequeñas, y que además tiene diversas longitudes características: estructuras jerárquicas multiescala; como los materiales biológicos.

El método que emplearon y el resultado se puede observar en la figura siguiente:

Fabricación de un hidrogel similar al tendón biológico. La parte superior explica los diversos pasos que se siguen y su resultado, mientras que en la inferior se observan las diversas jerarquías de la estructura del material. En b, la estructura macroscópica; comparada además con un tendón real, en c la microscópica y en d y e las estructuras a escalas nanométricas. Las barras de escalas tienen de longitud: b, 5 mm; c, 50 µm; d, 1 µm; e, 500 nm. De la fig. (1) del artículo citado.

Usando un polímero de alcohol vinílico como base del hidrogel, obtuvieron resultados para el hidrogel muy buenos, por lo que se centraron en este producto químico como precursor. A la hora de formar la estructura que deseaban, los autores entendían que el congelado direccional del polímero permitía formar las paredes más «grandes», mientras que el uso de la sal inducía la formación de las nanofibras. Para comprobarlo, prepararon materiales en los que se saltaron algunos de los pasos y los resultados obtenidos confirmaron las ideas que tenían sobre la formación de su hidrogel.

La figura siguiente muestra las estructuras finales obtenidas y su resistencia al estiramiento, donde se observa con claridad que las mejores propiedades mecánicas, la elongación (21 mm / mm) y la energía de ruptura (~131 kJ / m²) más grandes son las del material formado con la combinación de los dos pasos de congelamiento direccional seguido del uso de la sal.

Estructuras formadas según diversos métodos de fabricación (arriba) y ensayos de tracción (abajo). El valor numérico dentro de las gráficas se corresponde con la energía de ruptura por unidad de área.
El hidrogel a es el mejor de los tres y sigue los pasos de congelación direccional y añadido de sal. El b no tiene una dirección preferente de congelamiento pero añaden la sal y en el c, congelan y descongelan en una dirección preferente 3 veces sin añadir sales. Adaptado de la figura 3 del artículo citado.

Además, como la figura demuestra, el congelamiento direccional es el responsable de las estructuras más grandes, mientras que añadir la sal genera en el material las nanofibras más pequeñas, como los investigadores sospechaban basándose en resultados anteriores.

Estudios mecánicos y estructurales sobre el material demostraron características muy similares las del tendón: 1) su respuesta a la tracción es muy asimétrica porque es mucho más alta en una dirección que en la perpendicular, 2) además de su alta resistencia a la aparición de fallos y 3) un modo de romperse, en fibras que se van desprendiendo, típico de materiales muy anisótropos. De hecho, en los materiales suplementarios del artículo muestran la figura siguiente, donde en una comparación visual de un tendón natural con su hidrogel se observan las similitudes:

Comparación de la estructura del tendón natural, abajo, frente al hidrogel creado por los investigadores, arriba, a distintas escalas espaciales. La similitud a escalas mili y micrométrica contrasta con las grandes diferencias a escala nanométrica, debidas sobre todo a la muy diferente composición de uno y otro. De la fig. suplementaria 1 del artículo citado.

Continúa el artículo explicando de manera más detallada como trataron de entender el papel de cada estructura en el comportamiento final de su nuevo hidrogel, con los resultados principales ya comentados anteriormente. Dedican después una sección a describir las diversas características que pueden obtener según la concentración de polímero de alcohol en la mezcla gaseosa inicial y comprobar hasta que punto el material puede estirarse y encogerse varias veces y cómo estos ciclos no alteraban apenas las propiedades del hidrogel, encontrando que mantenía un grado bastante alto de reversibilidad después de diez ciclos.

Posteriormente emplearon gelatina y alginato como material base para el hidrogel, ambos materiales más biocompatibles que el alcohol inicial, comprobando que en todos los casos la fabricación mediante congelamiento dirigido y posterior añadido de sal mejoraba las propiedades del hidrogel resultante. La gelatina con estructura de tendón aumentó la dureza respecto a su hidrogel cerca de 1.000 veces más, al pasar de 0,0075 a ~12 Mj/m³.

Como conclusión final, los investigadores dicen que han demostrado un nuevo sistema de fabricación de hidrogeles que permitirá su uso en múltiples aplicaciones médicas y de otro tipo. Mi corazoncito cienciaficcionero no puede menos que pensar que ya estamos más cerca de hacer cíborgs con tendones muy similares a los humanos, o incluso sustitutos de los que se nos gasten a nosotros, aunque desde luego aún hay muchos pasos que dar hasta llegar a algo así. Este artículo es sólo la puerta que abre estas posibles aplicaciones.

El artículo original se publicó en la revista Nature, vol. 590: Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out.

Notas:

(1) Un hidrogel es un material que está compuesto en su mayor parte de agua, «atrapada» en una estructura formada por otras sustancias con propiedades muy interesantes: suele ser biocompatible, la absorción y liberación del agua en su interior es reversible, etc. El artículo de la Wikipedia en español está bastante bien: Wiki:Hidrogel.

(2) Desde el punto de vista de la mecánica estructural, los tendones son los materiales que soportan las cargas (fuerzas) que el músculo produce sobre el hueso para mover el cuerpo.

(3) Las estructuras anisótropas son estructuras cuyas propiedades cambian según la dirección desde la que se observen.

(4) Una sal cosmotrópica es aquella que añadida al agua aumenta su capacidad de generar estructuras al favorecer las interacciones entre moléculas de agua. En la Wikipedia en inglés lo explican bastante bien: Wiki:Kosmotropic.

Material resistente a los cortes

Uno de los problemas más importantes en ingeniería es el de los diversos materiales que nuestra sociedad precisa, o le gustaría tener: los materiales naturales poseen limitaciones claras que solventamos con materiales artificiales, pero una vez que empezamos a usarlos, exigimos o buscamos prestaciones nuevas, lo que implica nuevos materiales o formas de conformarlos.

Acaba de añadirse un nuevo material con una propiedad muy útil en determinados usos: no es posible cortarlo, no porque sea muy duro, sino porque su estructura interna provoca que cualquier herramienta cortante se estropee y desgaste sin poder cortar todo el material. La investigación está publicada en la revista «Scientific Reports» y comienza haciendo una introducción a la diferencia entre materiales artificiales y naturales.

Comenta que las estructuras jeráquicas(1) naturales son capaces de presentar protección frente a cargas muy grandes, dando varios ejemplos muy curiosos en los que no solemos deternernos o son poco conocidos. Las uvas aguantan caídas desde 10 m sin romperse y las escamas de unos peces llamados Arapaimas aparentemente pueden aguantar mordiscos de las pirañas gracias al diseño jerárquico de sus escamas. Parece ser que sus capas externas están fortalecidas por una estructura de fibras de colágeno cruzadas.

Siguiendo este ejemplo, el artículo continúa citando ejemplos de diseños artificiales imitando este sistema de la naturaleza, desde modernas estructuras milimétricas impresas con sistemas 3D hasta barreras que pueden eliminar ondas sísmicas colocadas por los romanos en algunas de sus construcciones. Todas estas estructuras comparten un principio de diseño común basado no en una estructura repetitiva, como los cristales de los metales, sino en un estudio de todas las interacciones a las que se somete el material.

Continúan luego con el resultado final de su investigación, la creación de una nueva estructura jerárquica metalo-cerámica. La estructura está formada por una espuma de aluminio que rodea a esferas cerámicas colocadas en un orden determinado. En esta estructura las esferas cerámicas están diseñadas para romperse bajo vibraciones internas debido a cargas o fuerzas localizadas. Esto no es malo, porque al romperse estas bolas, y crear vibraciones muy fuertes en el agente que esté creando las vibraciones, le crean un desgaste tan grande que no es capaz de continuar provocando las fuerzas sobre este nuevo material, dejando de cortarlo. De hecho, usaron esferas cerámicas que no eran demasiado duras, sino que por ser frágiles y romperse, creaban grandes cantidades de polvo cerámico que ayudaba a generar el desgaste del elemento cortante.

La estructura del material se puede observar en la figura siguiente, donde la estructura jerárquica es clara, así como las diferentes configuraciones que tiene que hacer según el tipo de forma externa que quieren hacer.

Estructura jerárquica del metamaterial en varias configuraciones. El dibujo (a) muestra el material cunado se usó una forma de panel plano, mientras que la (c) lo muestra en un cilindro. La fotografía (b) muestra la organización en columnas de las esferas cerámicas, mientras que en las fotografía (d) y (g) se observa la densidad de la espuma de alumnio, no uniforme, siguiendo la escala de la derecha. En el dibujo (e) y la foto en detalle (f) se observa que las esferas cerámicas están separadas por la espuma de alumnio y que las «burbujas» de la espuma son como mínimo, un orden de magnitud más pequeñas que las esferas. De la figura 1 del artículo citado.

Como este material combina cerámicas y metales, es necesario realizar operaciones metalúrgicas para poder manufacturarlo, y los autores del artículo describen con cierto detalle el método que emplearon.

Primero mezclaron polvos de aluminio con un agente espumante, dihidrido de titanio en su caso, que luego se compactó para evitar el aire que se pueda quedar en su interior y poder extruir cilindros de polvo compacto que se cortaron en discos pequeños. Luego, las esferas cerámicas hechas previamente y estos discos se colocan en un patrón fijo en una caja de acero que se suelda para cerrarla. Con el calentamiento de esta estructura hasta una temperatura tal que genera la espuma de aluminio y posterior enfriamiento tranquilo se produce la pieza deseada, como se indica en la figura siguiente:

Proceso de formación de las piezas con esta estructura. Las piezas extruidas de polvo deben colocarse de con una estructura determinada en el horno, y las esferas cerámicas se han hecho previamente. De la figura 2 del artículo citado.

Posteriormente estudiaron sus propiedades mecánicas, más allá de ser imposible de cortar por medios habituales, y obtuvieron un módulo de Young(2) de 5,5 GPa. Para realizar una comparación, el módulo de Young del acero inoxidable está en torno a los 200 GPa, lo que nos indica que nos es un material especialmente duro, por lo que no será posible usarlo en tareas estructurales, pero sí de refuerzo de las mismas.

Posteriormente, el artículo describe con mucho detalle como y porqué el material es capaz de resistir el ataque de una sierra radial cargada con discos de diamante, comiéndose al disco. La clave está en que la ruptura de las esferas cerámicas genera por un lado, un polvo muy abrasivo, y por el otro oscilaciones laterales en el disco que lo rompen, impidiéndole cortar el material estructurado.

También intentaron atacar el material con chorros de agua muy alta presión, y tampoco lograron cortarlo. En este caso, el material es capaz de ampliar el diámetro del chorro inicial, bajando tanto su velocidad que ya no puede penetrar el material y se desvía.

En la parte final del artículo comentan que esta estructura se puede ajustar de varias maneras para mejorar o cambiar algunas de sus propiedades. Por ejemplo, cambiar la dureza o el tamaño de las esferas cerámicas, la porosidad de la espuma metálica o incluso los material iniciales.

Por otra parte, aunque por comodidad los investigadores generaron sólo estructuras sencillas, sin apenas curvas, no hay en principio problemas para poder generar estructuras más complicadas, con curvaturas y que se puedan soldar entre sí o que encajen. Una aplicación obvia de semejante material es el de puertas de seguridad: si el material no se puede cortar, tampoco se puede penetrar en el interior.

El artículo se publicó en la revista Scientific Reports, volumen 10: Scientific Reports volume 10, Article number: 11539 (2020)

(1) Estructuras jerárquicas son las estructuras que tiene formas que cambian según la escala en al que la observemos. Por ejemplo, las conchas de los moluscos tienen una estructura en capas microscópica que se sostiene sobre elementos más pequeños para separar cada capa.

(2) Módulo de Young: el parámetro que caracteriza lo deformable que es un material cuando se le aplica una fuerza. El artículo de la wikipedia en español está bastante bien para entender este concepto: Wiki: Módulo de Young

¿Cómo se desafilan los cuchillos?

No sé si alguna vez se lo han preguntado, pero no deja de ser curioso que los cuchillos y otros objetos cortantes metálicos se vayan desbastando con el tiempo. A fin de cuentas, se usan, generalmente, para cortar cosas mucho más blandas como pan, carne, etc. Y sin embargo, pasado el tiempo, todos pierden el filo. ¿Cómo sucede?

Unos investigadores acaban de publicar un artículo donde ofrecen algunas pistas.

Comienzan la introducción del artículo comentando la importancia, antes y ahora, de las herramientas cortantes para la humanidad, y como se necesitan dos características de una herramienta cortante: filo y dureza.

El ejemplo que ponen como uso común, porque luego lo emplearán en sus experimentos, es el de el acero empleado en las cuchillas de afeitar. Es un acero martensítico(1) afilado con ángulos de 17º y con un radio de la punta de 40 nanómetros, es decir 40×10⁻⁹ metros. Luego, se recubre primero con materiales aún más duros, como carbono con forma de diamante y otra capa de material deslizante, teflón(2), final.

Y aún así, como todas las personas que usan estas cuchillas saben, el pelo es capaz de desbastar su filo al cabo de unos pocos usos. Y eso a pesar de que el pelo es más de diez veces más blando que el material de la cuchilla, como la figura de abajo indica.

Escala de dureza de diversos materiales (izquierda) y foto de la cuchilla de afeitar donde se observa su estructura y los diversos dominios cristalinos del material. Adaptado de la figura 1.A del artículo referenciado.

Como cualquier cuchillo vuelve a cortar al afilarlo de nuevo, es aceptado comúnmente que el mecanismo principal que hace que se desbaste el filo es un mecanismo de desgaste. Pero el artículo indica que los primeros desgastes sufridos por la cuchilla no pueden ser debidos sólo a desgaste, por varias razones.

Primero, porque la estructura de tanto el pelo como la cuchilla son muy diferentes. Concretamente, el pelo o cualquier otro elemento general que quiera cortar el cuchillo, es una estructura homogénea con una capa externa más dura. Sin embargo, la estructura de la cuchilla es mucho más diversa, teniendo formas distintas según la escala espacial que ese emplee. Por lo tanto, dado que los modelos habituales de desgaste suelen despreciar las microestructuras internas, no pueden dar cuenta de los desgastes iniciales de las cuchillas u otros objetos cortantes.

Por otra parte, dado que las condiciones de contorno del corte varían de manera muy dinámica mientras se produce éste, hay que tenerlas en cuenta si queremos estudiar este fenómeno. De hecho, como indica la figura siguiente, hay un mínimo de tres configuraciones: cuando el pelo se corta completamente recto, cuando debido al ángulo de entrada la cuchilla interacciona con el pelo con los dos lados y por último, cuando el pelo está muy doblado.

Las tres posibilidades de corte de un pelo, con los diagramas de fuerzas que suponen sobre la cuchilla. adaptado de la figura 1.B del artículo citado.

Con todas estas dificultades, los investigadores decidieron realizar experimentos sistemáticos para tratar de entender mejor el proceso de desbastado.

Comenzaron por caracterizar las microestructuras de hojas de afeitar comerciales, lo que les permitió observar que el filo de la cuchilla no es nada liso, ni siquiera sin cortar nada, sino que tiene pequeñas indentaciones e irregularidades.

Luego diseñaron un montaje experimental que le permitió cortar de manera sistemática pelo, la figura siguiente, de forma que después de cortar un número de veces pelo, pudieran examinar la hoja y ver que había pasado.

Montaje experimental para observar parte del desgaste en la cuchilla. De la figura 2.A del artículo citado.

De hecho, observaron que las irregularidades iniciales en el filo eran lugares donde luego se iban eliminando partes de la cuchilla, como se vé en la figura siguiente:

Borde de una cuchilla sin usar (arriba) y tras realizar algunos cortes (abajo) Se puede apreciar con claridad la falta de trozos del filo tras realizar cortes. Adaptado de la figura **1.3** del artículo citado.

De todas maneras, dado que en su montaje experimental podían cambiar el ángulo, comprobaron que si la cuchilla entraba con un ángulo ortogonal al pelo, la cuchilla ni se deformaba ni presentaba las indentaciones que se ven en la figura anterior. Para poder ver estos problemas, tuvieron que inclinar la cuchilla hasta que tuviera un ángulo de 21º con la horizontal. En esta posición, parte de la fuerza que realiza la cuchilla está fuera del plano principal del movimiento, lo que conlleva deformaciones plásticas de la misma, y en último término, la rotura del filo ya vista.

De hecho, observaron que esta ruptura del filo tiene lugar generalmente en los lados del pelo, y que es independiente de factores como el ángulo relativo entre el pelo y la cuchilla o el diámetro del pelo.

Posteriormente, realizaron simulaciones con programas de elementos finitos(2) para tratar de entender mejor sus resultados experimentales.

Con ellos, pudieron confirmar que la región donde se producían las deformaciones mecánicas era la frontera del pelo y que se empezaban a producir para ángulos mayores de 8,5º de inclinación entre la cuchilla y la dirección ortogonal al pelo.

Por otra parte, para ángulos más pequeños también se producían roturas del filo, que no se podían explicar con este modelo, donde la inclinación del ángulo de entrada de la cuchilla era fundamental para producir la fuerza que generaba la deformación. Cuando los ángulos son muy pequeños, se observó que la aparición de tensiones que conducían a la rotura del filo era debido a las diferencias de composición entre los diversos granos del acero, que respondían de manera distinta a la tensión producida por el corte del pelo, lo que generaba estas tensiones entre los granos capaces de romper el filo.

Como resumen de los elementos que hacen falta para que el filo de la cuchilla se desbaste antes de que aparezcan los problemas de desgaste, los investigadores encontraron que tiene que darse tres condiciones simultáneamente, explicitadas en el dibujo posterior:

una cantidad de pelo que se doble tan grande como para generar fuerzas con componentes no ortogonales grandes,
que el proceso de creación de la cuchilla sea tal que induzca irregularidades en el filo con granos de diversas composiciones,
que la posición del pelo sea tal que el lado del mismo se encuentre una de estas irregularidades, y además de forma que el material más blando esté en el lado correcto del filo.

Explicación gráfica de las tres condiciones necesarias para la ruptura de una cuchilla. De arriba a abajo, las columnas muestran como el ángulo de incidencia de la cuchilla en el pelo, la irregularidad y las diferentes composiciones de la cuchilla tienen que coincidir para poder romper el filo. De la figura 4 del artículo citado.

Obviamente, que se cumplan estas tres condiciones a la vez es difícil, por eso las cuchillas aguantan varios usos antes de desbastar su filo. La cuestión es que, como comentan acertadamente en el artículo, el hecho de que la rotura inicial de pequeños fragmentos de la cuchilla se produzca por la aparición simultánea de varios criterios dificulta mucho el análisis a posteriori de las razones de la rotura del filo.

Finalizan el artículo comentando que la práctica habitual de la metalurgia es utilizar la ley de Archard(3), donde hay una correlación lineal entre la dureza y la resistencia al desgaste. Dados sus resultados, afirman que probablemente sea una buena idea tratar de homogeneizar el metal empleado y reducir el tamaño de las irregularidades que producen los procesos de fabricación para aumentar la resistencia al desgaste, además de emplear materiales cada vez más duros.

El artículo original se publicó en la revista Science, vol. 369: How hair deforms steel.

(1) En inglés se dice «martensitic», y es una forma de endurecer el acero mediante el aumento de su contenido en carbono y enfriamiento rápido. La wikipedia en inglés tiene un artículo muy decente sobre el proceso: Wiki-Martensite.

(2) El método de elementos finitos es un algoritmo para resolver con ordenador ecuaciones muy complicadas de resolver analíticamente que se basa en dividir el sistema en una multitud de pequeños subsistemas que se resuelven iterativamente. La wikipedia tiene un artículo en español bastante interesante: Wiki-Elementos finitos.

(3) La ley que correlaciona dureza con desgaste, el artículo de la wikipedia es corto, pero suficiente para hacerse una idea: Wiki – Ecuación de Archard.