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El papel de las microestructuras en los materiales granulados

Los materiales granulados, por ejemplo la arena, constituyen sistemas complejos en los cuales los granos de arena individuales se comportan e interactúan de manera conjunta y compleja. Una iniciativa financiada con fondos europeos estudió su comportamiento mecánico mediante experimentos avanzados en los que se empleó difracción y tomografía de rayos X en tres dimensiones.

Investigación fundamental

El proyecto GRANULAR MECHANICS (Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load) investigó la función de la microestructura y los procesos macroestructurales en el comportamiento mecánico de materiales granulares como la arena. Un conocimiento mejor cuantificado de los materiales granulados contribuirá al desarrollo y la calibración de técnicas numéricas y teóricas avanzadas para modelar sus mecánicas. Por ello, un equipo científico empleó experimentos innovadores, análisis de datos e imágenes tridimensionales para medir simultáneamente la cinemática de las partículas, la evolución estructural, la transferencia de fuerza y la elasticidad en la arena durante la carga mecánica. La investigación se centró en el desarrollo de nuevos métodos para cuantificar simultáneamente la cinemática y las presiones internas de todos los granos de arena a partir de muestras que contenían gran cantidad de granos durante la deformación. Las técnicas de tomografía por rayos X y los análisis de imágenes ofrecieron las cinemáticas granulares, mientras que la difracción por rayos X tridimensional (3DXRD)), creada para estudios con metales, se adaptó para medir presiones reticulares cristalográficas en granos de arena individuales (cristales de cuarzo). Mediante la combinación de 3DXRD con el análisis de imágenes digitales 3D y la formación de imágenes tomográfica por rayos X, el equipo investigador obtuvo, por primera vez, mediciones de cinemática granular y deducciones de transmisiones de fuerzas dentro de materiales duros y opacos. Estas mediciones se han vinculado a propiedades y comportamientos macroscópicos como la respuesta tensión-deformación, la dureza de la muestra y la configuración estadística del sistema. El proyecto constituyó un importante paso para entender mejor la mecánica granular, desde el ámbito de la retícula cristalina de los granos individuales de arena hasta las interacciones entre los granos y la formación de estructuras de transferencia de fuerzas. Estas estructuras, conocidas como cadenas de fuerzas, pueden determinar la dureza y los fallos en la mesoescala y la macroescala. Los resultados de GRANULAR MECHANICS ayudarán a los científicos a desarrollar modelos mejores de las mecánicas de los materiales granulares. Su innovador trabajo beneficiará a sectores tan diversos como los de procesado de polvos industriales, producción de píldoras farmacéuticas, ciencia alimentaria e, incluso, podría ser útil para predecir el comportamiento de los suelos en los lugares de desembarque tanto en la Luna como en Marte.

Palabras clave

Materiales granulados, arena, GRANULAR MECHANICS, transferencia de fuerza, 3DXRD

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