Materia blanda bajo condiciones extremas de tensión-deformación - Ortellado, Laureano (2024)
La materia blanda desempeña un rol clave en prácticamente todas las áreas de la tecnología, desde la biomedicina hasta la industria aeroespacial. La capacidad de controlar la estructura molecular de estos materiales ha permitido ajustar propiedades como las viscoelásticas, ópticas y electrónicas, entre otras, para diversidad de aplicaciones que van desde la nano- hasta la macro-escala. Aunque al presente se ha desarrollado un cuerpo de conocimientos suficiente en aplicaciones que implican condiciones moderadas de tensión-deformación, todavía se conoce realmente muy poco sobre el comportamiento de estos materiales bajo condiciones extremas. La falta de información detallada sobre los mecanismos microscópicos en condiciones extremas ha obstaculizado la determinación de parámetros fundamentales para el diseño inteligente de materiales. La ausencia de un marco teórico sólido y de técnicas de caracterización adecuadas ha limitado la comprensión de fenómenos tales como el impacto de micro-meteoritos en materiales espaciales y la fractura hidráulica. A pesar de su importancia tecnológica, la complejidad de la respuesta no-lineal bajo condiciones extremas ha llevado a depender en gran medida del método de prueba y error en el diseño de materiales. En esta dirección, esta tesis estudia la respuesta de la materia blanda, tanto frágil como dúctil, frente a condiciones extremas de tensión-deformación, combinando técnicas experimentales, simulaciones numéricas a nivel molecular y de campo medio y teoría. La primera parte de esta tesis se dedica al análisis de la materia blanda con respuesta frágil. A través de dispositivos experimentales diseñados para aplicar tensiones uniaxiales y de corte, así como combinaciones de ambas, junto con el uso de tomografía de rayos X, investigamos la propagación de fracturas en modo mixto en hidrogeles. Posteriormente, mediante análisis de elementos finitos, evaluamos la validez del principio de simetría local en ensayos de fracturas mixtas y los efectos de la interacción entre fracturas. También estudiamos la propagación cristalina en superficies curvas mediante modelos de campos de fases. En este estudio, las tensiones elásticas generadas por la curvatura del sustrato conducen a la aparición de fracturas en el cristal como mecanismos para disipar tensiones. En la segunda parte de la tesis estudiaremos mediante dinámica molecular sistemas poliméricos con respuesta dúctil ante ondas de choque e impactos. Inicialmente, estudiamos la compresión por ondas de choque en copolímeros dibloque nanoestructurados en lamelas, revelando que las morfologías observadas tras el choque se asemejan a las de equilibrio, a una temperatura determinada por la velocidad de compresión. Posteriormente, investigamos el impacto de nanoproyectiles en películas poliméricas altamente entrelazadas. Estos sistemas demuestran eficacia en la disipación de ondas de choque por impacto, transfiriendo tensión a lo largo de cadenas espacialmente distantes. Al cuantificar con precisión su densidad de entrelazamiento, exploramos los mecanismos de disipación de impactos de nanoproyectiles en películas delgadas poliméricas. Más allá del interés intrínseco de los estudios realizados, se espera que las herramientas desarrolladas en esta tesis permitan avanzar en la obtención de un marco conceptual completo para el diseño inteligente de materia blanda.