Texto de Juan Melchor.
Ilustraciones de Miguel Pérez.
Los materiales han sido estudiados desde el punto de vista físico y matemático desde la aparición de la ciencia. Al principio en relación a la substancia de la que todos los objetos están hechos y recientemente añadiendo el concepto de energía a su definición.
La mecánica
Para entender la materia, un herramienta imprescindible es la mecánica, que generalmente se asocia a la relación de las fuerzas que se ejercen sobre ésta. La mecánica clásica surge a partir de los principios de Isaac Newton a finales del siglo XVII, describiendo la actuación de las fuerzas ejercidas en los materiales, el movimiento correspondiente, trayectorias, velocidades y aceleraciones de distintos sistemas de partículas. Con el desarrollo de la mecánica de medios continuos se comienzan a establecer las reglas para entender los materiales homogéneos e isótropos (tienen las mismas propiedades en todas las direcciones) sometidos a deformaciones. Posteriormente ya a principios del el siglo XX los científicos Landau y Lifchitz con en su libro Teoría de la Elasticidad, definen las relaciones de los materiales con su geometría al deformarse y los coeficientes relativos a la rigidez, consistencia y demás características. Además establecen las primeras reglas de medición de desde distintos puntos de vista analíticos.
Fig.1. «La propagación del sonido». Miguel Pérez.
¿Cómo podemos medir los materiales? Las ondas mecánicas aparecen en esta época como posibles candidatas para determinar las propiedades de los sólidos. Pues poseen una gran ventaja, se relacionan de forma precisa con el parámetro de resistencia de cada sólido.
Los Ultrasonidos
El estudio de la ciencia del sonido comienza en el siglo VI a.C. con Pitágoras gracias a su libro sobre las propiedades matemáticas de los instrumentos de cuerda. Los ultrasonidos son ondas mecánicas no ionizantes, cuya frecuencia supera el rango audible por el ser humano es decir los 20 kHz. El biólogo Spallanzani observó la existencia de estas ondas sonoras por su estudio de la ecolocación de los murciélagos alrededor de año 1794. En el siglo XIX y el siglo XX gracias a Galton y Langevin, se empezaron a explorar las posibilidades de replicar experimentalmente la física de los ultrasonidos para futuras aplicaciones a través del efecto piezoeléctrico descubierto por Jacques y Pierre Curie (deformaciones transformadas en electricidad y viceversa). En 1939, Sokolov comienza a plantearse uso en medicina a través de las imágenes generadas a mucha más frecuencia obteniendo como resultado resoluciones comparadas con las ópticas. Las propiedades físicas del sonido suelen describirse a partir de la frecuencia, amplitud, velocidad, tiempo de vuelo y atenuación de la onda.
Fig.2. «Ecolocalización». Miguel Pérez.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasound#/media/File:Sonar_Principle_EN.svg
La Evaluación No Destructiva Ultrasónica
El testeado de materiales para explorar sus defectos y su caracterización mecánica engloba diversos métodos entre los que destaca la evaluación no destructiva ultrasónica. Los ultrasonidos utilizados para testear materiales parten del vínculo entre las teorías clásicas de acústica y la elasticidad de los materiales. Existen relaciones matemáticas precisas que vinculan tanto la rigidez como la consistencia de un material con la velocidad de propagación de ondas y la densidad del medio dependiendo de la tipología de la onda.
Monitorización estructural y Elastografía
Los investigadores Firestone y McNulty a mediados del siglo pasado patentaron sistemas basados en esta metodología para materiales dañados con funcionalidad aplicable a evaluaciones en inmersión, midiendo los ecos generados en los materiales. Actualmente se están intentando predecir distintos estados de daño que afectan a la calidad microestructural de la forma más temprana posible. Con este objetivo los científicos se plantean entender los armónicos que se generan en el interior de los materiales mediante las técnicas de nolinealidad ultrasónica.
Otro método ultrasónico utilizado en inspección son las ondas guiadas, cuyo desarrollo comienza en los años 90, para evaluar calidad estructural generalmente en tuberías. La repercusión de este campo se ha extrapolado al estudio de tejido óseo con fines diagnósticos. Cabe destacar el uso de las técnicas de monitorización de la salud de distintas estructuras (turbinas, depósitos, puentes, …) mediante sistemas ultrasónicos. La tipología de onda utilizada son las ondas Lamb o de superficie, el diseño de la arquitectura de estos sistemas permite determinar y controlar a tiempo real la calidad estructural de la construcción.
Una aplicación Biomédica de las técnicas ultrasónicas es la Elastografía, que consiste en aplicar una compresión externa al tejido comparando las imágenes de ultrasonido antes y después de la compresión. Las áreas de la imagen que están menos deformadas son las más rígidas, mientras que las áreas más deformadas son las menos rígidas. La imagen que se muestra a menudo es de gran utilidad clínica.
Retos
El desarrollo conjunto de la matemática contemporánea, los sistemas multifísica y la mecánica de materiales nos permite generalizar las ecuaciones de ondas de sonido para explorar distintas soluciones a las ecuaciones que determinan nuevas formas de propagación y por consiguiente la derivación de nuevos tipos de ondas en distintas geometrías o dimensiones. Gracias a la ingeniería mecánica clásica y a la potencia computacional actual se podrán diseñar dispositivos novedosos para emitir y recibir ultrasonidos que permitan caracterizar los materiales desde nuevos puntos de vista y a distintas escalas. Por ejemplo, hoy en día es un reto entender los tejidos con el fin de diagnosticar diferentes patologías de forma exacta, los ultrasonidos son una herramienta clave debido a su naturaleza no invasiva. Además se empieza a considerar su uso para la acelerar procesos de crecimiento celular bajo determinados niveles de energía y frecuencia lo que abriría las puertas a su uso terapéutico en un campo emergente que se denomina mecanotransducción.
Referencias
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- Qin, Y.; Qin, Y; Liu, J; Tanswell, AK; Post, M (1996). «Mechanical Strain Induces pp60src Activation and Translocation to Cytoskeleton in Fetal Rat Lung Cells». Journal of Biological Chemistry. 271 (12): 7066–71.
Profesoras Araceli Giménez y Ania Munera.
