Las maquinillas de afeitar, escalpelos y las cuchillas están fabricados generalmente de acero inoxidable, cuentan con un filo agudo y están recubiertos con materiales incluso más duros, como el carbono de diamante.
Sin embargo, a diferencia de las cuchillas, las maquinillas de afeitar se desgastan rápidamente después de algunos usos, pese a cortar materiales como el vello facial, , un material que 50 veces más suave que la cuchilla.
La misma interrogante se formularon ingenieros del MIT, que observaron de cerca cómo una hoja de afeitar puede dañarse al cortar el cabello humano.
Y las observaciones iniciales fueron llamativas: descubrieron que el afeitado del cabello deforma una cuchilla de una forma más compleja que simplemente desgastar el borde. De hecho, un solo mechón de cabello puede hacer que el filo se astille en determinadas condiciones.
Grietas iniciales
Pero no fue lo único. Cuando se forma una grieta inicial, la cuchilla se vuelve mucho más vulnerable. A medida que se acumulan más grietas, el filo puede desgastarse rápidamente.
El equipo descubrió que la estructura microscópica de la cuchilla desempeña un papel clave: es más propensa a astillarse si la microestructura del acero no es uniforme.
El ángulo de acercamiento de la hoja a un mechón de cabello y la presencia de defectos en la estructura microscópica del acero también juegan un papel en el inicio de las grietas.
«Nuestro principal objetivo era comprender un problema del que más o menos todo el mundo es consciente: por qué las cuchillas se vuelven inútiles cuando interactúan con material más blando», explicó Cem Tasan, profesor de metalurgia en el MIT.
Agregó que “encontramos los principales ingredientes del fracaso, lo que nos permitió determinar una nueva ruta de procesamiento para hacer cuchillas que duren más».
Misterio metalúrgico
El grupo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT dirigido por Tasan trabaja en el análisis de la microestructura de los metales, con el objetivo de diseñar nuevos materiales que ofrezcan una resistencia excepcional a los daños.
«Somos metalúrgicos y queremos aprender qué gobierna la deformación de los metales, para que podamos hacer mejores metales. En este caso, fue intrigante que, si cortas algo muy suave, como el cabello humano, con algo muy duro, como el acero, el material duro fallará”, agregó Tasan.
Para encontrar una explicación, el equipo realizó algunos experimentos preliminares, utilizando máquinas de afeitar desechables su propio vello. Después de cada afeitado, tomó imágenes del filo de la navaja con un microscopio electrónico de barrido (SEM) para monitorear el desgaste.
Los experimentos revelaron muy poco desgaste. Sin embargo, mostraron la formación de astillas en algunas regiones del filo. Esto creó otro misterio. «Queríamos entender, ¿en qué condiciones tiene lugar este astillado y cuáles son los ingredientes del fracaso?”, añadió.
El equipo construyó un aparato micromecánico para realizar experimentos más controlados. Se trata de una plataforma móvil, con dos abrazaderas a cada lado, que sostienen la cuchilla de afeitar y los mechones de cabello, respectivamente. Usando cuchillas comerciales, se ajustaron en varios ángulos y profundidades para imitar el acto de afeitarse.
El aparato está diseñado para caber dentro de un microscopio electrónico de barrido, donde capturaron imágenes de alta resolución tanto del cabello como de la cuchilla. Usó su propio cabello, así como muestras de sus compañeros. Independiente del grosor, el equipo observó que en estos experimentos el cabello también provocaba astillas, pero solo en ciertos puntos.
Sin embargo, descubrió un dato clave: las astillas no se producían cuando el cabello se cortaba perpendicularmente a la cuchilla. Cuando estaba libre, sí era más probable que ocurrieran. Además, generalmente se formaban en lugares donde el filo de la cuchilla se unía a los lados de los mechones.
Para ver las condiciones que podrían causar las astillas, el equipo realizó simulaciones computacionales en las que modelaron una cuchilla de acero cortando un solo cabello. Al simular cada afeitado, alteraron ciertas condiciones, como el ángulo de corte, la dirección de la fuerza aplicada en el corte y, lo más importante, la composición del acero de la cuchilla.
Puntos débiles
Las simulaciones predecían fallas en tres condiciones: cuando la cuchilla se acercaba al cabello en ángulo, cuando el acero de la cuchilla tenía una composición heterogénea y cuando el borde de un mechón de cabello se encontraba con la cuchilla en un punto débil en su estructura heterogénea.
Las condiciones ilustran un mecanismo conocido como “intensificación de tensiones», en el que el efecto de una tensión aplicada a un material aumenta si la estructura de este tiene microgrietas. Cuando se forma una microgrieta inicial, la estructura heterogénea del material permitió que se conviertan fácilmente en astillas.
«Nuestras simulaciones explican cómo la heterogeneidad en un material puede aumentar el estrés sobre éste, de modo que una grieta puede crecer, a pesar de que el estrés es impuesto por un material suave como el cabello», explicó Tasan.
Los hallazgos del equipo también ofrecen pistas sobre cómo preservar el filo de un cuchillo. Por ejemplo, al rebanar verduras, un chef podría considerar cortar directamente, en lugar de hacerlo en ángulo. Y, para diseñar cuchillas más duraderas y más resistentes, los fabricantes podrían considerar hacer cuchillos con materiales más homogéneos.
Los investigadores presentaron una patente provisional sobre un proceso para manipular el acero de forma más homogénea, para fabricar cuchillas más duraderas y más resistentes. «La idea básica es reducir esta heterogeneidad, mientras mantenemos la alta dureza. Hemos aprendido cómo hacer mejores cuchillas, y ahora queremos hacerlo», puntualizó Gianluca Roscioli, coautor de la investigación.
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