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En tiempos pasados, encontrar un material que tuviera la resistencia justa, la
elasticidad necesaria, u otras características deseables era un proceso
de prueba y error. La gente "descubría" un
nuevo material como el acero o la goma, pero no lo "inventaba". Sólo después del descubrimiento,
los científicos averiguaban por qué cierta mezcla de productos químicos se comportaba de cierta
manera. El secreto detrás de estas nuevas y radicales mejoras es una combinación de dos tendencias modernas: la disponibilidad de computadores poderosos y económicos junto con los avances de los últimos 50 años en la física fundamental de los sólidos. Al introducir las ecuaciones de la física en un computador lo suficientemente veloz, se puede predecir cómo se comportará cierto material, aun antes de que esté fabricado. Los experimentos realizados a bordo del Transbordador Espacial en 1997, sin embargo, mostraron que una de las teorías de la física clásica utilizada para el diseño de materiales no trabajaba como los científicos esperaban.
Las aleaciones se forman calentando los ingredientes hasta que se fundan, mezclándolos y dejando que la hornada se enfríe. Cuando la mezcla se enfría y solidifica, se forman granos minúsculos cristalinos. Con el paso del tiempo, estos granos se comportan de manera extraña: los gránulos más grandes tienden a crecer, mientras que los más pequeños desaparecen (un proceso llamado "espesamiento"). Sorprendentemente, este espesamiento continúa luego de que la aleación se ha solidificado completamente, a menudo debilitando la aleación. Esto podría crear un problema catastrófico si, por ejemplo, el material fuera utilizado para construir las paletas de giro rápido de una turbina de propulsión a chorro. La teoría Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) predice la tasa de espesamiento en las aleaciones. ¿Cúal es el problema con la teoría?. Hablando estrictamente, nada. Es la forma como la han estado utilizando los ingenieros, lo que está equivocado. Las ecuaciones de LSW describen cuán rápidamente los materiales se espesan si se les deja inmóviles por una cantidad infinita de tiempo. Para siempre. La mayoría de los ingenieros no puede esperar tanto tiempo, así que han asumido que la teoría funciona también para lapsos más cortos, como horas o días.  Arriba: Las partículas sólidas de estaño se espesan dentro de una mezcla líquida de estaño y plomo por un período de 24 horas. Instantáneas de tres muestras diferentes fueron combinadas para crear esta serie. [más información] La prueba de esta hipótesis era una de las metas del experimento Espesamiento en Mezclas Sólido-Líquido (CSLM), que se realizó a bordo del Transbordador Espacial en 1997. : "Los primeros experimentos resultaron exactamente como habíamos esperado", recuerda el investigador principal Peter Voorhees, profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Northwestern, cerca de Chicago, Illinois. "Pero cuando observamos los tamaños de los granos, vimos que en promedio eran más grandes de lo que predecía la teoría". Algo estaba pasando. Algo se les estaba olvidando. Los científicos nunca habían podido comprobar totalmente las predicciones de LSW en una mezcla líquida, porque la gravedad siempre había interferido con los experimentos más ideales. Para ser consistente con lo establecido en la teoría, un experimento debería tener gránulos microscópicos sólidos dispersos en forma uniforme dentro de un líquido. Si se intenta ésto a nivel del suelo, las partículas sólidas se depositan muy rápidamente y se acumulan en la parte superior o en la inferior del recipiente, arruinando el experimento.  Arriba:La gravedad hace que las partículas de estaño sedimenten rápidamente en la parte
superior de la cámara durante los experimentos a nivel del suelo (derecha). Para el
mismo experimento realizado en órbita, las partículas se mantienen dispersas en forma pareja
(izquierda). Imagen cortesía del
Centro Glenn de Investigaciones (Glenn Research Center) de la NASA. Los experimentos en el Transbordador Espacial, sin embargo, duraron solamente 10 horas. Y quizás ése sea el problema. Las simulaciones por computador sugieren que cuando se permite que el espesamiento continúe por un poco más de tiempo, la teoría continúa válida. Con pruebas más largas en su mente, Voorhees y sus colegas diseñaron el CSLM-2, un experimento de espesamiento de segunda generación, para la Estación Espacial Internacional (EEI). El aparato calentará una mezcla de plomo y estaño hasta que se funda. Ya que el estaño puro tiene una temperatura de fusión más alta que la mezcla plomo-estaño, los minúsculos cristales de estaño inmersos permanecerán sólidos a la temperatura del experimento: alrededor de los 185o C, ó 365o F (el estaño se funde a los 232 o C, ó 449o F). Los científicos utilizan plomo y estaño porque las propiedades físicas básicas de la mezcla son bien comprendidas, haciendo que el análisis de los resultados sea más fructífero.
Mientras los hornos mantengan las muestras en estado líquido, los minúsculos cristales de estaño se espesarán durante lapsos que varían entre 1,5 y 48 horas. Luego de que los cristales más grandes hayan crecido y que los menores se hayan encogido, las muestras serán enfriadas y solidificadas para preservarlas, y luego regresadas a la Tierra donde Voorhees y su equipo de científicos las cortarán en láminas y las examinarán para determinar si la teoría continúa siendo válida para los experimentos más prolongados. Aunque todavía queda mucho por aprender sobre el espesamiento, algunos de los resultados
del primer experimento CSLM ya están siendo utilizados por la industria. Por ejemplo, Voorhees
ayudó a una compañía de Evanston, Illinois, llamada QuesTek, a integrar los resultados del
primer experimento al programa de computador que ellos utilizan para hacer recomendaciones
de diseño de materiales. Los clientes de QuesTek, que incluyen a grandes compañías manufactureras,
utilizan luego esos materiales para fabricar un amplio número de productos. |
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