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Busca IFUAP potencializar las aplicaciones de la materia granular

•Para esta nueva línea de investigación se ha puesto en marcha un laboratorio de medios granulares: “GrainsLab”

Entre las diversas áreas de investigación que se desarrollan en el Instituto de Física (IFUAP) de la BUAP, se encuentra una de reciente creación: la Física de los Materiales Granulares. Esta área de profundización permitirá comprender la dinámica de este tipo de materia y así potencializar sus ventajas. Dichos materiales son conjuntos de muchas partículas, como la arena o los granos de café, que se comportan de manera muy peculiar, ya sea formando dunas estables como un sólido o fluyendo como si fueran un líquido.

Felipe Pacheco Vázquez, investigador nivel I del Sistema Nacional de Investigadores del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, desarrolla esta área experimental en el IFUAP desde su reciente incorporación en octubre de 2013. Señaló que sobre los materiales granulares se ha creado la noción de que tienen comportamientos predecibles y triviales, pues son comunes: se encuentran en todos lados, en la naturaleza, en la industria y hasta en el hogar.

“La interacción entre los cientos o miles de granos genera comportamientos contraintuitivos: fenómenos que se contraponen a lo que se intuye sobre su comportamiento; en realidad sabemos muy poco de ellos”, expresó.

El estudio de la materia granular es importante debido a que este tipo de conglomerados son usados con frecuencia en diversos contextos y de múltiples maneras; están presentes tanto en el sector industrial, en el de la construcción, en el hogar e incluso en medios naturales.

Aunque el conocimiento científico sobre estos materiales permite la adopción y potencialización de aplicaciones provechosas para el ser humano, su estudio sistemático es muy reciente dentro de la Física (sólo un par de décadas). Pacheco Vázquez comentó que estudiar este tipo de materia, así como todas las áreas de la ciencia, debe ser sólo por “la pasión de comprender su comportamiento”.

La materia granular

Los materiales granulares son conglomerados de partículas suficientemente grandes para no sufrir afectaciones en su dinámica a causa de las fluctuaciones térmicas del medio; “el talco, la materia granular más pequeña, corresponde al orden de las micras, de ahí encontramos granos más grandes como el azúcar y la sal; aquellos de la industrias como los detergentes y las de entornos naturales como la arena de las playas e incluso partículas grandes como los icebergs”, explicó el Físico.

Señaló que pese a las múltiples aplicaciones de la materia granular en ingeniería, aún se carece de modelos o teorías que sustenten este tipo de desarrollos: “sus actividades con materia granular se podrían optimizar, pero para ello se necesita comprender este tipo de eventos, se requiere del conocimiento científico”.

Pacheco Vázquez, quien pertenece al cuerpo académico de Sistemas Complejos y Materiales Inteligentes del IFUAP, cuenta con líneas de investigación que permitirán a los estudiantes de Física, Ciencias de Materiales e Ingeniería de la BUAP, profundizar en áreas interdisciplinares como la de Física de Fluidos y de Materiales Granulares.

Para ello, recientemente se ha puesto en marcha un laboratorio de medios granulares: “GrainsLab” en el que se usa una cámara de alta velocidad, Photron, capaz de grabar videos de hasta 125 mil cuadros por segundo. Esta herramienta permite seguir la dinámica de partículas y otros fenómenos como fracturas, explosiones e impactos de proyectiles.

Mediante impactos de balines esféricos de acero en el laboratorio contra camas granulares se ha encontrado que los cráteres que resultan de los experimentos siguen las mismas leyes que las de los cráteres planetarios. “Si bien la teoría de formación de cráteres por impacto fue propuesta desde épocas de Galileo, esta teoría no se aceptó si no hasta alrededor de 1950, ya que debido a la visión religiosa del Universo no se creía que un proyectil colisionara la Tierra”, expresó el Investigador.

Pacheco Vázquez realizó también experimentos de laboratorio con proyectiles granulares que se pulverizan tras el impacto (a diferencia de balines sólidos utilizados por investigadores en Estados Unidos y Holanda), pues en eventos astronómicos “los meteoritos se desintegran durante la colisión”. Con este estudio encontró cráteres simples y complejos con las mismas condiciones físicas y morfológicas de los impactos estelares observados en la Luna. Gracias a esto se pueden explicar las condiciones físicas con las que un meteorito impacta a los astros.

Usos y aplicaciones

Los materiales granulares, abundó, están presentes en distintos contextos: en la playa, en la cocina y hasta en las avalanchas. Lo importante no es sólo estudiarlos por sus aplicaciones, si no para entender su comportamiento y poder predecirlo. Su presencia en distintos ámbitos hace que su experimentación y sus aplicaciones sean numerosas y diversas.

El doctor Felipe Pacheco Vázquez ha realizado diversos experimentos que intentan esclarecer los comportamientos granulares; destacó de entre ellos los hechos con arena y agua: “con materia granular como la arena y ciertas cantidades de líquidos como el agua, se pueden realizar estructuras estables que están en función de la concentración del líquido”. A partir de aquí pudo identificar las proporciones adecuadas de arena y agua con las que se pueden hacer estructuras sólidas y estables sin la necesidad de otros materiales.

Logró establecer científicamente el estrés máximo que pueden soportar estas estructuras; “este tipo de nociones son aplicadas de manera aproximada desde un punto de vista empírico en algunos proyectos de ingeniería”, dijo.

También ha hecho investigaciones sobre el amortiguamiento granular: “como los granos se mueven entre sí, cuando reciben algún impacto o están sujetos a vibraciones, la fricción y colisión entre los millones de granos disipan rápidamente la energía del sistema, es por esto que los granos pueden ser usados para amortiguar impactos y reducir vibraciones”.

Este tipo de amortiguadores son económicos pues no necesitan mantenimiento y su eficiencia no depende de la temperatura a la que trabajan. Un ejemplo de su uso es para disminuir vibraciones en los alerones de los transbordadores espaciales, en donde las temperaturas se elevan considerablemente. Algunas raquetas deportivas, como las usadas en el deporte del tenis, cuentan con materiales granulares para disminuir las lesiones en los atletas a causa de los impactos recibidos cuando golpean las pelotas. Los martillos anti-rebote son otro ejemplo de su aplicación.

En los trabajos que realiza, Pacheco Vázquez busca establecer la masa crítica: la cantidad de materia granular necesaria que se debe poner dentro de un contenedor para contener un impacto y disipar toda su energía. Los amortiguadores se usan también en la industria para eliminar vibraciones de perforadoras y cortadoras, e incluso para disipar un impacto de bala como es el caso de los chalecos antibalas.

También, los conglomerados granulares pueden ser un medio de transporte de fluidos pues cuentan con medios porosos que facilitan esta conducción. “El agua puede moverse a través de los poros de la arena, por ejemplo; comprender este tipo de transporte de líquidos podría ser útil para la industria petrolera o para la extracción de agua de medios acuíferos”, resaltó.

Estos y otros modelos experimentales podrán ser abordados por alumnos de posgrado del IFUAP que estén interesados en esta línea de investigación. Sus aportes permitirán el desarrollo teórico de un área del conocimiento sobre materiales relativamente nueva, que, de acuerdo al Investigador, ofrecerá aportaciones relevantes a distintos ámbitos del ser humano.

Perfil del investigador

Felipe Pacheco Vázquez:

•Nivel I en el Sistema Nacional de Investigadores.

•En 2013 obtuvo su Posdoctorado en Física de Materia Granular por la Universidad de Liège, Bélgica.

•En 2011 recibió el Premio Weizmann a la mejor tesis doctoral en ciencias, otorgado por la Academia Mexicana de Ciencias.

•En 2006 fue seleccionado para ser Becario HELEN del programa Alfa del CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares).

•Ha sido ponente en diversos congresos como el Southern Workshop on Granular Materials, Intruders interaction in superlight granular matter, realizado en Viña del Mar, Chile y dos ediciones del Winter Meeting on Statistical Physics, Superlight granular matter.

•Ha publicado en numerosas publicaciones científicas a nivel internacional como el texto “Cooperative dynamics in the penetration of a group of intruders in a granular médium” en la revista Nature Comms.

•Colabora en diferentes organizaciones de divulgación científica.

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