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Homogeneización computacional de las interfases y los materiales porosos blandos

Tradicionalmente, la computación sobre interfases y materiales porosos blandos ha empleado modelos fenomenológicos simples. Un equipo de investigadores financiado con fondos europeos propuso modelar dichos medios mediante la homogenización, un proceso que permite convertir las propiedades microscópicas en macroscópicas.
Homogeneización computacional de las interfases y los materiales porosos blandos
Gracias a la homogeneización se pueden mantener las características básicas de un sistema, así como determinar las características básicas de este a partir de unos pocos parámetros. La contraparte computacional de este proceso fue el núcleo del proyecto MULTISCALEFSI (Multiscale fluid-solid interaction in heterogeneous materials and interfaces), financiado con fondos europeos.

El proyecto se centró en investigar si la homogenización puede aplicarse para estimar las propiedades de la interacción entre líquidos y sólidos, tanto a macroescala como a microescala. El equipo investigador estudió la lubricación en presencia de microheterogeneidades aleatorias y periódicas, también denominadas dureza y textura, respectivamente.

Los materiales porosos no homogéneos con poros rellenos de fluido son ubicuos, una categoría en la que se incluyen los huesos de humanos. El fluido óseo actúa como portador de los elementos nutritivos para el armazón óseo poroso. El rápido crecimiento del desarrollo y la potencia computacional en la reconstrucción microestructural indica que en un futuro cercano será posible modelar con mayor precisión.

En cualquier caso, la homogenización ofrece una alternativa computacional rentable. El equipo del proyecto MULTISCALEFSI demostró que la dinámica de la interfase podría proyectarse con precisión en la solución a macroescala. Es importante destacar que no se incurrió en los costes computacionales asociados a la solución numérica directa de los problemas microheterogéneos.

Además de abordar las fluctuaciones espaciales en las propiedades microscópicas, el equipo investigador también capturó con éxito las variaciones temporales estableciendo promedios adecuados. Además, las deformaciones de la interfase pudieron reproducirse eficazmente mediante una respuesta anisotrópica de esta.

En los últimos años, la microfabricación se ha desarrollado considerablemente. El enfoque del proyecto MULTISCALEFSI, centrado en integrar las fases líquida y sólida dentro de las mismas leyes constitutivas y modelar con precisión su interacción, contribuirá al diseño de superficies que ofrezcan las prestaciones microscópicas y macroscópicas deseadas.

Mediante su combinación con el método de elementos limítrofes, la respuesta macroscópica de la interacción entre líquidos y sólidos puede evaluarse en un amplio abanico de dimensiones porosas. En dichas evaluaciones, la ecuación clásica de lubricación hidrodinámica de Reynolds puede emplearse para describir cambios de configuración finitos.

Se propuso una generalización de la ecuación para asegurar una respuesta precisa de las interfases blandas, tanto a nivel matemático como físico. El proyecto MULTISCALEFSI ha permitido conocer mejor la respuesta macroscópica de las superficies con textura, lo cual tiene implicaciones importantes para las iniciativas en curso dirigidas a reducir la fricción y el desgaste.

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Palabras clave

Homogeneización computacional, materiales porosos, MULTISCALEFSI, interacción entre líquidos y sólidos, lubricación
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