•Notícia

• Vídeo del procés de fractura de materials

Antonio J. Pons, investigador del grup de Dinàmica i Òptica no Lineal i Làsers de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) al Campus de Terrassa, ha desenvolupat un nou model matemàtic que ha originat una nova llei física, la qual descriu com es trenca un material en totes les seves fases i permet predir la manera en què ho farà, abans de produir-se la fractura. És la primera vegada al món que s’aplica aquest model per descriure objectes o materials en 3 dimensions (3D), és a dir, tots aquells que presenten volum en l’espai i que són isòtrops, amb un estructura homogènia. La recerca, publicada la primera setmana de març a la revista Nature, s’ha realitzat en col·laboració amb l’investigador Alain Karma, professor de la Northeastern University de Boston (Estats Units).
.
Tot el que es troba al voltant nostre és material, des del punt de vista tecnològic, físic i geològic, i tot és susceptible de trencar-se: l’ala d’un avió, la columna que sustenta un edifici, el casc d’un vaixell, la tubera d’un conducte o fins i tot la mateixa estructura geològica de la Terra, com ara una falla. Fins ara, la ciència intentava entendre la manera en què es trenquen els objectes més simples, com ara els bidimensionals, com una fulla de paper, però el trencament dels objecte tridimensionals es resistien als científics.

Se sap que, si s’apliquen determinades tensions als objectes, aquests es trenquen, però encara es desconeixen quines forces descriuen la trajectòria de la fractura i com es produeix. El treball d’Antonio J. Pons posa fi a aquesta incertesa, ja que ha creat un model de simulació prou potent com per ser capaç de predir i descriure el trencament d’estructures que van des de les microscòpiques fins a les més grans, com ara algunes falles geològiques. I és que aquest model de simulació reprodueix totes les escales del procés de trencament, des de l’inici fins al final. D’aquesta manera, si es coneixen els comportaments de determinats materials, es podran dissenyar nous materials molt més resistents a la fractura.

Un material, és a dir, qualsevol objecte o element sòlid del nostre entorn, es pot fracturar de tres maneres diferents: de dalt a baix (com es trenca la falla de San Andrés, a Califòrnia), en horitzontal com una cisalla, o de manera esquinçada, com un cable quan es tensiona i al mateix temps es torça.

Per posar altres exemples, la Falla de la Serralada de l’interior a Veneçuela es trenca de manera mixta, segons el primer i el tercer model; el cigonyal del motor d’un cotxe es trenca per torsió i fatiga; una clau anglesa també per fatiga; els materials polímers es trenquen igual que les roques; a les ruptures dels objectes fabricats amb vidre es poden observar les mateixes franges de fractura que a les fractures geològiques. El nou mètode d’Antoni Pons, en definitiva, permet a la comunitat científica descriure, a partir d’ara, els processos de fractura dels materials des del seu estat inicial, durant la seva evolució, i la fractura final en totes les escales. A més, permet descriure’ls matemàticament en tres dimensions. Igualment, el mètode facilita la realització de simulacions numèriques que, fins ara, eren impossibles de fer. Gràcies a aquesta recerca, es pot predir la forma dels fronts de fractura abans que aquests es produeixin. Per tant, pot tenir aplicacions en la prevenció de desastres i en l’optimització de materials o noves tècniques de producció d’elements microscòpics. També permet preveure i entendre millor com es fracturen els ossos afectats per determinades patologies, com ara l’osteoporosi.

“La potencialitat del nostre mètode és molt gran perquè ens permet estudiar i entendre problemes naturals que tenen repercussions tecnològiques”, explica Pons. La recerca de l’investigador de la UPC pot ser molt útil, per exemple, en el camp de la tecnologia de materials, ja que, si el model és capaç de reproduir ruptures a nivell microscòpic, també es podrà utilitzar per aconseguir entendre com poder-les controlar, cosa que obre la possibilitat d’utilitzar les estructures resultants com a motlles microscòpics. Aquesta seria, però, una fase posterior de la recerca.

Una altra aplicació útil d’aquest model matemàtic és en el coneixement del comportament de grans estructures, com ara els edificis que es construeixen en zones de gran activitat sísmica. En aquest sentit, el nou mètode permet modificar l’estructura dels materials de construcció, per fer-los més segurs.