Una balsa de burbujas es una matriz de burbujas . Demuestra el comportamiento microestructural y a escala de longitud atómica de los materiales mediante el modelado del plano {111} de un cristal compacto. Las propiedades mecánicas observables y medibles de un material dependen en gran medida de su configuración y características atómicas y microestructurales. Este hecho se ignora intencionalmente en la mecánica de medios continuos , que supone que un material no tiene microestructura subyacente y es uniforme y semiinfinito en su totalidad.
Las balsas de burbujas reúnen burbujas en una superficie de agua, a menudo con la ayuda de jabones anfifílicos . Estas burbujas ensambladas actúan como átomos, difundiéndose, deslizándose, madurando, tensándose y deformándose de una manera que modela el comportamiento del plano {111} de un cristal compacto. El estado ideal (de energía más baja) del ensamblaje sería sin duda un monocristal perfectamente regular, pero al igual que en los metales, las burbujas a menudo forman defectos, límites de grano y cristales múltiples.
El concepto de modelado de balsas de burbujas fue presentado por primera vez en 1947 por el Premio Nobel Sir William Lawrence Bragg y John Nye del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Proceedings of the Royal Society A. [ 1] La leyenda afirma que Bragg concibió los modelos de balsas de burbujas mientras vertía aceite en su cortadora de césped. Observó que las burbujas en la superficie del aceite se juntaban en balsas que se parecían al plano {111} de cristales compactos. [2] Nye y Bragg presentaron más tarde un método para generar y controlar burbujas en la superficie de una solución de glicerina-agua-ácido oleico-trietanolamina, en conjuntos de 100.000 o más burbujas de tamaño submilimétrico. En su artículo, continúan hablando extensamente sobre los fenómenos microestructurales observados en las balsas de burbujas y planteados como hipótesis en los metales. [1]
Las balsas de burbujas presentan una dinámica compleja, como se ilustra en el vídeo. Esto se desencadena por la ruptura de una primera burbuja, impulsada por fluctuaciones térmicas [3] y una cascada de burbujas que estallan posteriormente, lo que puede dar lugar a una criticidad autoorganizada y a una distribución de avalanchas de ley de potencia. [4]
Al deformar una red cristalina, se modifica la energía y el potencial interatómico que sienten los átomos de la red. Este potencial interatómico se modela popularmente (y en su mayoría de forma cualitativa) utilizando el potencial de Lennard-Jones , que consiste en un equilibrio entre fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos.
Los "átomos" en las balsas de burbujas también exhiben tales fuerzas atractivas y repulsivas: [2]
La parte de la ecuación a la izquierda del signo más es la fuerza de atracción, y la parte a la derecha representa la fuerza repulsiva.
es el potencial entre burbujas
es el radio promedio de la burbuja
es la densidad de la solución a partir de la cual se forman las burbujas
es la constante gravitacional
es la relación entre la distancia entre las burbujas y el radio de la burbuja
es el radio de contacto del anillo
es la relación R/a del radio de la burbuja a la constante de Laplace a, donde
es la tensión superficial
es una constante que depende de las condiciones de contorno del cálculo
es una función de Bessel modificada de orden cero del segundo tipo. [2]
Las balsas de burbujas pueden mostrar numerosos fenómenos observados en la red cristalina. Esto incluye cosas como defectos puntuales (vacantes, impurezas sustitutivas, átomos intersticiales), dislocaciones de borde y granos . Una dislocación de tornillo no se puede modelar en una balsa de burbujas 2D porque se extiende fuera del plano. Incluso es posible replicar algunos tratamientos de microestructura como el recocido . El proceso de recocido se simula agitando la balsa de burbujas. Esto recoce las dislocaciones ( recuperación ) y promueve la recristalización .
