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D3O®en su estado crudo fluye y se estira fácilmente. Pero cuando se mueve rápidamente, se bloquea firmemente, absorbiendo instantáneamente la energía.
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N VÍDEO DE YOUTUBE TITULADO
“¡ Golpéame en la cabeza con una pala!” muestra a un hombre joven que se deja golpear en la cabeza repetida- mente con una pala. (Por favor, ¡no lo intente en casa!) El vídeo no está promoviendo la violencia ni está representando ningún tipo de broma juvenil, sino más bien está refiriéndose a algo serio de la ciencia. En la parte inferior de la pala hay un globo aplastado de una sus- tancia viscosa (goo) de color anaranjado bri llante que se parece a la masilla “Silly Putty” (una sustancia gomosa de aceite de silicona y ácido bórico, utilizada como juguete). Esta increíble sustancia tiene la capacidad de absorber la energía de la pala en movimiento y es una contribución extraordinaria al mundo fascinante de “materiales inteligentes”. Los materiales inteligentes cambian en respuesta a su entorno. Ellos proporcionan el ejemplo perfecto de cómo la ciencia ficción de ayer puede convertirse en la realidad de hoy. Este extraordinario material lleva el nombre comercial de D3O®^ y se puede encontrar en más de 100 productos— en todo, desde los estuches protectores de teléfonos celulares
hasta las rodilleras y los zapatos de ballet. Mientras que el nombre D3O®^ puede sonar como algo de la Guerra de las Estrellas “Star Wars”, sus usos son mucho más realistas. Su objetivo principal es proveer protección contra impactos. D3O®^ fue inventado en 1999 por el ingeniero británico Richard Palmer. Un ávido practicante de “snowboard” (tabla para deslizarse en la nieve), estaba buscando una
manera de protegerse de muchos golpes y magulladuras que sufrió de frecuentes caí- das en su tabla. Él encontró su respuesta en D3O®, el cual recibió el nombre del laborato- rio en el que fue descubierto. Éste es afectu- osamente conocido por los miembros de la empresa como “super goo” y viene en un solo color— anaranjado brillante. D3O®^ es un ejemplo de una clase única de materiales conocidos como fluidos no newtonianos. ¿Qué hace a estos materiales tan diferentes a los fluidos normales, y por qué son utilizados en tantos productos de uso cotidiano?
Líquidos Newtonianos
versus no Newtonianos
Antes de discutir los fluidos no newtonia- nos, examinemos primero qué se entiende por un fluido newtoniano. Además de sus muchos otros descubrimientos, Isaac Newton hizo un trabajo innovador con los fluidos. Él descu- brió que la viscosidad de la mayoría de los fluidos es afectada sólo por la temperatura. La viscosidad es la medida que determina la VIDEO LINK:
https://www.youtube.com/watch?v=lk1vCIopa
; WWW.THEFITRV.COM; SHUTTERSTOCK; ISTOCK
A ChemMatters | FEBRERO/MARZO 2017 www.acs.org/chemmatters
Escanee la imagen de la futbolista abajo con la aplicacion movil “LinkReader” para aprender mas informacion sobre D3O.®
Por Brian Rohrig
Fluido delgado por corte Shear thickeningFluido espeso por corte Fuerza de corte aplicada
Fuerza de corte retirada
Fuerza de corte aplicada
Fuerza de corte retirada
H
H (^) H
H
O
O O O
Shear thinning
La aplicación de una fuerza de corte rompe los enlaces de hidrógeno (u otras estructuras secundarias) y permite que las hebras de polímero fluyan más fácilmente entre sí. Cuando la fuerza se retira, los enlaces de hidrógeno entre las hebras de polímero se forman de nuevo.
La aplicación de una fuerza de corte puede hacer que los rollos aleatorios de un polímero se desenrollen y se enreden entre sí, aumentando la viscosidad. Cuando la fuerza se retira, el polímero vuelve al estado de rollo aleatorio favorecido.
resistencia al flujo de un fluido. Un fluido con alta viscosidad resiste el movimiento mientras que un fluido con baja viscosidad fluye fácil- mente. Las sustancias más viscosas, como el jarabe y la miel, tardan más en verterse que las sustancias menos viscosas, como el agua. (Ten cuidado de no confundir la viscosidad con la densidad. Aunque la crema tal vez sea más espesa que la leche, en realidad es menos densa, ya que la crema flotará encima de la leche). Newton observó que, si una sustancia
se calienta, se volverá menos viscosa, y si se enfría más viscosa. Al intentar poner en marcha tu automóvil en una mañana a una temperatura bajo cero, puedes notar que el motor tiene dificultad dando la vuelta, ya que el aceite en el automóvil es espeso y lento. Una vez que el motor se calienta, el aceite se vuelve menos viscoso y fluye más fácilmente. Los fluidos más comunes, como el agua y el petróleo, son newtonianos. Su viscosi- dad permanece constante, sin importar cuán rápido se vean forzados a fluir a través de una tubería o canal. Por lo tanto, el único factor que afecta su viscosidad es la temperatura. Pero la viscosidad de algunos fluidos se ve afectada por factores distintos a la tempera- tura. Estos fluidos se denominan fluidos no newtonianos. La viscosidad de un fluido no newtoniano cambiará debido a la agitación o la presión—conocida técnicamente como ten- sión cortante. Una tensión cortante no afec- tará la viscosidad de un fluido newtoniano. Los fluidos no newtonianos son polímeros. Un polímero está compuesto de cadenas largas de unidades repetidas conocidas como monómeros que se encadenan para producir macromoléculas gigantes. Los polímeros
sintéticos más comunes son el plástico, el caucho, y los tejidos, como el poliéster y “Spandex”. Los polímeros naturales TM incluyen ADN, proteínas y almidón.
Disminución de la
viscosidad
Considere la salsa de tomate, kétchup. Puede que tengas que golpear ligeramente la parte inferior de la botella o agitarla para que salga. Al hacerlo, estás aplicando una
tensión cortante al kétchup, haciendo que se vuelva menos viscoso. Los fluidos que se vuelven menos viscosos cuando se agitan o se mueven se conocen como fluidos adelga- zantes por corte. Otros fluidos adelgazantes por corte son la crema de afeitar, la pasta dental y la pintura. Si usted frota la crema de afeitar entre las manos, se vuelve liviana y líquida, ya que su viscosidad disminuye. La próxima vez que te cepilles los dientes, si usa un cepillo de dientes eléctrico, notarás que a medida que las cerdas giran, agitando la pasta dental, empezarás a ver como la pasta dental gira y fluye, haciéndose menos viscosa. Otro fluido de adelgazamiento por corte, muy popular en las películas, es la arena
movediza. Si estás atrapado en arenas movedizas, cuanto más luches, más rápido te hundirás. En lugar de ayudarte a escapar, todo tu movimiento hace que las arenas movedizas sean menos viscosas, haciendo que te hundas más rápido. Pero no te preo- cupes—la arena movediza rara vez es lo sufi- cientemente profunda como para hacer que te hundas hasta tu cabeza. Y puesto que su densidad es dos veces la de una persona, si te relajas, flotarás hacia la superficie.
Incremento de la
viscosidad
Otros tipos de fluidos responden de manera opuesta a una tensión cortante. Si se aplica una tensión cortante, se vuelven más visco- sos. Estos fluidos se denominan de espesa- miento por corte. Una mezcla de almidón de maíz y agua es un excelente ejemplo de un fluido espeso por corte. Cuando se aprieta parece solidificarse. Usted puede correr a través de la superficie de una piscina llena de una mezcla de almidón de maíz y agua. Al hacer una salsa, que utiliza almidón de maíz, se vuelve más espesa cuando se revuelve. Se pueden encontrar fluidos de espesa- miento por corte en el cuerpo. El líquido sinovial que recubre las articulaciones en las rodillas y los codos es de espesamiento por corte. Usualmente, este fluido no es muy viscoso, para permitir el libre movimiento de las articulaciones. Pero si golpeas la rodilla o el codo en una esquina afilada de una mesa, el líquido sinovial llega al rescate, al instante se vuelve más viscoso y amortigua tu articu- RS GRAPHX, INC.; D3O lación del doloroso golpe.
®TECHNOLOGY
ChemMatters | FEBRERO/MARZO 2017 B
Envuelva su dedo dentro de un material D3O® y ¡golpee duro! No se lastimará sudedo...gracias a D3O. ®
gen el movimiento, por lo que es difícil realizar su trabajo. D3O®^ ha sido incorporado en chalecos y cascos a prueba de balas. Es más eficaz cuando está ordenado en capas con otras sustancias, proporcionando una barrera muy efectiva que evita la penetración de proyec- tiles tales como balas y metralla. Si este tipo de armadura es impactada, se endurece instantáneamente, protegiendo al usuario. Si dejas caer tu teléfono celular, una pantalla rota o algo peor puede ser el resul- tado final. La incorporación de D3O®^ en los estuches de teléfonos celulares proporciona una excelente protección contra impactos. Estos estuches protectores son fácilmente identificados por las rayas anaranjadas bril- lante en sus lados. Si tu tiendes a dejar caer mucho tu teléfono puede que desees consid- erar este tipo de estuche protector.
El número de usos para D3O®^ y otros pro- ductos similares no newtonianos es aparente- mente interminable. Ellos pueden protegerte de lesiones graves y proteger tus posesiones más queridas. Un lema popular adoptado por la industria química es “Vivir mejor a través de la Química”. D3O®^ proporciona un res- paldo estupendo de este lema.
REFERENCIAS SELECCIONADAS Woodford, C. Plásticos absorbentes de energía. Explique esas cosas, 23 de octubre de 2015: http://www.explainthatstuff.com/energy-absorb- ing-materials.html [accedido noviembre de 2016].
Healy, M. Cascos de fútbol y la contusión cerebral: un nuevo estudio abre nuevas preguntas. Los Angeles Times, 17 de febrero de 2014: http://www.latimes.com/science/sciencenow/ la-sci-sn-football-helmets-concussion- 20140217-story.html [accedido noviembre de 2016].
Zarda, B. El increíblemente amplio mundo del material inteligente D3O. Popular Science, 14 de agosto de 2009: http://www.popsci.com/gear- amp-gadgets/article/2009-08/incredibly-wide- world-smart-material-d3o [accedido noviembre de 2016].
Brian Rohrig es un escritor de ciencia que vive en Columbus, Ohio. Su más reciente artículo de ChemMatters, “Tubería Caliente, Hielo Frío ... Gracias a la Química”, apareció en la edición de diciembre de 2016 / enero de 2017.
ChemMatters | FEBRERO/MARZO 2017 D
