Ocurre fuera de su ventana cada vez que llueve: el suelo se moja y puede formar barro pegajoso. Luego se seca. Más tarde puede llover nuevamente. Cada humedecimiento y rehumectación afectan la estructura y la estabilidad del suelo. Estos cambios se tienen en cuentacuenta, por ejemplo, cuando los arquitectos e ingenieros diseñan, ubican y construyen edificios, pero en términos más generales, la ciencia de cómo las partículas se unen y luego se separan toca campos tan diversos como los peligros naturales, la fertilización de cultivos, la producción de cemento y el diseño farmacéutico.
Uniendo estos campos dispares, un equipo de la Universidad de Pensilvania descubrió que cuando las partículas están húmedas y luego se dejan secar, el tamaño de esas partículas tiene mucho que ver con la fuerza con la que se unen, y si permanecen juntaso desmoronarse la próxima vez que se mojen.
El equipo descubrió que lo que da fuerza a estos agregados pegajosos son puentes delgados que se forman cuando las partículas del material se suspenden en un líquido y luego se dejan secar, dejando finos filamentos de partículas que conectan grupos más grandes. Los filamentos, que los investigadores llamanpuentes sólidos, aumentar la estabilidad de los agregados de 10 a 100 veces.
Los investigadores informaron sus hallazgos en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"Este fenómeno de puente sólido puede ser omnipresente e importante para comprender la resistencia y la erosión de los suelos naturales", dice Paulo Arratia, ingeniero de mecánica de fluidos en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn y coautor del estudio.
"Descubrimos que el tamaño de una partícula puede superar la contribución de sus propiedades químicas cuando se trata de determinar qué tan fuerte se adhiere a otras partículas", agrega Douglas Jerolmack, geofísico de la Escuela de Artes y Ciencias y autor correspondiente del artículo.
El equipo de investigación fue dirigido por Ali Seiphoori, anteriormente un postdoctorado en el laboratorio de Jerolmack y ahora en el MIT, e incluyó el postdoctorado de física Xiao-guang Ma. El trabajo actual surgió de las investigaciones que habían estado realizando en conjunto con la Escuela de Medicina Perelman de Pennen el asbesto, específicamente cómo sus fibras en forma de aguja se adhieren entre sí y a otros materiales para formar agregados. Eso los hizo pensar de manera más general sobre lo que determina la resistencia y la estabilidad de un agregado.
El grupo adoptó un enfoque experimental para responder a esta pregunta creando un modelo simple de agregación de partículas. Suspendieron esferas de vidrio de dos tamaños, 3 micras y 20 micras, en una gota de agua. Como referencia, un cabello humano es aproximadamenteDe 50 a 100 micras de ancho. A medida que el agua se evaporaba, los bordes de la gota se retiraron, arrastrando las partículas hacia adentro. Eventualmente, la gota de agua que se encogió se transformó en múltiples gotas más pequeñas conectadas por un delgado puente de agua, conocido como puente capilar, antes de eso.demasiado evaporado
El equipo descubrió que las presiones de succión extremas causadas por la evaporación juntaron las partículas pequeñas tan firmemente que se fusionaron en los puentes capilares, dejando puentes sólidos entre las partículas más grandes, a las que también se unieron, una vez que el agua se evaporó por completo.
Cuando el equipo rehumedeció las partículas, aplicando agua en un flujo controlado, descubrieron que los agregados compuestos únicamente por partículas de 20 micras eran mucho más fáciles de interrumpir y resuspender que los compuestos por las partículas más pequeñas o las mezclas de partículas pequeñas y grandes.
"Descubrimos que si los agregados compuestos solo por partículas de más de 5 micras se volvieron a humedecer, colapsaron", dice Jerolmack. "Pero por debajo de 5 micras, no pasa nada, los agregados eran estables".
En otras pruebas con mezclas de partículas de cuatro tamaños diferentes, que imitan más de cerca la composición natural del suelo, los investigadores encontraron el mismo efecto de puente que ocurre a diferentes escalas: las partículas más grandes fueron puenteadas por el segundo más grande, que a su vez se puentearonpor el tercero más grande, que fueron estabilizados por puentes de las partículas más pequeñas. Incluso las mezclas que contenían solo una pequeña fracción de partículas más pequeñas se volvieron más estables gracias al puente sólido.
¿Cuánto más estable? Para averiguarlo, Seiphoori pegó minuciosamente la sonda de un microscopio de fuerza atómica a una sola partícula, la dejó fraguar y luego cuantificó la "fuerza de extracción" requerida para eliminar esa partícula del agregado.esto para partículas en agregados de partículas grandes y pequeñas, descubrieron que las partículas eran de 10 a 100 veces más difíciles de extraer cuando habían formado una estructura de puente sólida que en otras configuraciones.
Para convencerse de que lo mismo sería cierto con los materiales además de sus cuentas de vidrio experimentales, realizaron experimentos similares utilizando dos tipos de arcilla que son componentes comunes de los suelos naturales. Los principios principales: las partículas de arcilla más pequeñas y la presencia de sólidoslos puentes estabilizaron los agregados. Y lo contrario también fue cierto: cuando las partículas de arcilla de menos de 5 micras se eliminaron de las suspensiones, sus agregados resultantes perdieron cohesión.
"Se cree que los suelos arcillosos son fundamentalmente cohesivos", dice Jerolmack, "y esa cohesión generalmente se ha atribuido a su carga o alguna otra propiedad mineralógica. Pero encontramos esto muy sorprendente de que no parece ser lo fundamentalpropiedades de la arcilla que la hacen pegajosa, sino más bien el hecho de que las partículas de arcilla tienden a ser muy pequeñas. Es una nueva explicación para la cohesión ".
Estas nuevas ideas sobre la contribución del tamaño de partícula a la estabilidad de los agregados abren nuevas posibilidades para considerar cómo mejorar la estabilidad de materiales como el suelo o el cemento cuando se desee ". Podría imaginar la estabilización de los suelos antes de un proyecto de construcción al agregar partículas más pequeñas que ayudan a unirla tierra juntos ", dice Jerolmack.
Además, la producción de una variedad de materiales, desde dispositivos médicos hasta recubrimientos de pantallas LED, depende de la deposición de película delgada, que según los investigadores podría beneficiarse de la producción controlada de agregados que observaron en sus experimentos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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