Las propiedades físicas, químicas y biológicas de la materia son determinadas en buena medida por la estructura que forman las partículas que la integran. Cuando dicha estructura es desordenada y compleja se describe con herramientas matemáticas derivadas del concepto de fractal. Para comprender el origen dinámico de la fractalidad de la estructura en los materiales, José Luis Carrillo Estrada, investigador del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas” (IFUAP) de la BUAP e integrante del Cuerpo Académico 171 Materiales Complejos e Inteligentes, desarrolla investigación en varios temas, entre ellos, materia granular.
Los resultados de dos de sus trabajos recientes, generados en sus líneas de investigación sobre Física Estadística de Sistemas Complejos, se encuentran publicados en Nature Scientific Reports, una de las revistas del Nature Publishing Group, la editorial científica de mayor prestigio en el mundo.
En el artículo “Fractality à la carte: a general particle aggregation model”, el doctor en Ciencias, en el área de Física, por la UNAM, explica cómo dependiendo del proceso de agregación de las partículas se forma la estructura fractal de un material y cómo esta fractalidad determina sus propiedades y características físicas.
Para exponer estos fenómenos, el grupo del doctor Carrillo desarrolló un modelo simple y versátil de la agregación de partículas, capaz de revelar las contribuciones entrópicas y energéticas específicas sobre la dimensión fractal, es decir, sobre la estructura de los agregados. Con ello, se pretende controlar con precisión las propiedades físicas de materiales desordenados, para diseñar nuevos materiales con fines específicos.
En esta investigación también participaron Víctor Dossetti, académico del Centro de Investigación en Dispositivos Semiconductores del Instituto de Ciencias (ICUAP), y José Roberto Nicolás Carlock, estudiante de doctorado del IFUAP, quien recientemente participó en un taller en el MIT, organizado por el New England Complex Systems Institute (NECSI), uno de los centros de investigación más prestigiados en esta disciplina.
El estudio de cráteres
En otra de sus publicaciones titulada “Penetration of Granular Projectiles into a Water Target”, en colaboración con el doctor Jesús Carlos Ruiz Suárez y el estudiante de doctorado Jorge González Gutiérrez, explica porqué en la superficie terrestre existe un número relativamente pequeño de cráteres de gran tamaño, en comparación con los existentes en la luna o Marte.
Lo que esclarece este hecho es que muchos de los meteoritos que llegan a la Tierra son de naturaleza no consolidada, es decir, están conformados por pequeños gránulos unidos por interacciones débiles, así que al ingresar a la atmósfera por efecto de la presión dinámica y la fricción tienden a explotar y desintegrarse. En cambio, los meteoritos metálicos colisionan y causan cráteres en la superficie terrestre. La atmósfera de la luna o de Marte es muy diluida.
Para comprobar dicha aseveración, el doctor José Luis Carrillo Estrada -con su equipo de trabajo- utilizó el concepto de escalamiento para determinar el efecto del ingreso del meteorito a la atmósfera terrestre. Esto ocurre a una velocidad aproximada de 17 kilómetros por segundo.
Para el experimento escalado se prepararon y hornearon esferas de arena, para conseguir diferentes grados de consolidación. Las esferas se dejaron caer desde diferentes alturas sobre un cubo con agua mezclada con una sustancia coagulante, para así observar el efecto de su impacto a diferentes velocidades. Previamente, se realizaron los cálculos precisos para determinar las velocidades equivalentes.
Dicho trabajo permitió investigar adicionalmente la morfología de las cavidades producidas por la penetración de proyectiles y así comprender la física detrás de su formación.
