Titulación: Doctor en Física,
Universidad de Sevilla.
Tesis de doctorado: Mecánica de medios
granulares cohesivos y su relación con las fuerzas entre
partículas.
Director: Antonio
Castellanos Mata.
Resultados científicos principales:
En este trabajo medimos
el coeficiente de autodifusión de un lecho de partículas
de unos 10 micrómetros de tamaño que presentaba
fluidización aparentemente homogénea. La fluidización es
un régimen de flujo multifásico en el que partículas están
suspendidas en el flujo de un fluido, en nuestro caso un
gas. La forma más común de describir un flujo multifásico
es mediante una ecuación similar a la de Navier-Stokes
para cada una de las fases (fluido y partículas) con un
término de acoplamiento entre fases. Cuando las partículas
y el fluido están perfectamente mezclados (a escala mucho
mayor que el tamaño de partícula), la fluidización se dice
homogénea. Sin embargo, el análisis de la estabilidad de
las soluciones de las ecuaciones de Navier-Stokes
acopladas que describen los flujos multifásicos predice
que las soluciones en las que las partículas y el fluido
están perfectamente mezcladas son inestables, es decir,
que la fluidización homogénea no es posible.
Como quiera que existen lechos de partículas en los que
aparentemente hay fluidización homogénea, algunos autores
de trabajos previos al nuestro sostenían que un asiento
fluidizado homogéneamente consistía en una matriz de
partículas ocupando posiciones fijas formando un sólido
muy débil por cuyos entresijos pasaba el fluido. Nosotros
fuimos capaces de refutar esa idea demostrando
experimentalmente que en un asiento fluidizado
aparentemente homogéneo el coeficiente de autodifusión de
las partículas no es nulo. La existencia de un coeficiente
de autodifusión no nulo implica que cada partícula se
mueve con una velocidad que es diferente de la de sus
vecinas, es decir, que las partículas no forman un sólido.
Además pudimos medir la dependencia del coeficiente de
autodifusión de las partículas con la velocidad del
fluido.
En el campo de los
coloides se conoce como transición de atasco al cese del
movimiento de las partículas coloidales que ocurre cuando
la fracción sólida crece hasta un determinado valor. La
transición se debe a que las partículas establecen una red
permanente de contactos que es capaz de soportar esfuerzos
(en teoría, en el momento de la transición, estos
esfuerzos deben ser sólo infinitesimalmente pequeños). La
fracción sólida a la que ocurre la transición de atasco
depende de la intensidad de las fuerzas atractivas entre
partículas. Normalmente, estas fuerzas atractivas son de
corto alcance y por eso actúan sólo en los contactos entre
partículas. En este trabajo nosotros demostramos
experimentalmente que un asiento fluidizado de partículas
también experimenta transición de atasco (lo que es la
fluidización se ha explicado en el resumen de la
contribución número 1). La diferencia con el caso de una
suspensión coloidal es que en una suspensión coloidal el
aumento de la fracción sólida se debe a la sedimentación
de las partículas mientras que en un asiento fluidizado la
fracción sólida se puede controlar cambiando la velocidad
del fluido. Para partículas fluidizadas, las fuerzas
atractivas dependen de sus propiedades superficiales.
Usando partículas con las mismas propiedades superficiales
(es decir, misma intensidad de las fuerzas atractivas)
encontramos que la fracción sólida a la que se producía la
transición de atasco dependía del tamaño de partícula. Sin
embargo, si considerábamos que las partículas formaban
agregados en estado fluidizado y tomábamos esos agregados
como partículas efectivas, la fracción de volumen de los
agregados se hacía independiente del tamaño de partícula.
La criticalidad
auto-organizada es una propiedad propuesta para algunos
sistemas dinámicos que consiste en que a pesar de que
existe un forzamiento externo el sistema se mantiene en un
estado estacionario mediante eventos que carecen de un
tamaño típico y cuya separación temporal tampoco exhibe un
tiempo típico. En estos eventos se disipa la energía que
el forzamiento externo ha acumulado en el sistema. Si uno
lee algunos artículos sobre el tema, los terremotos y las
avalanchas en un material granular son ejemplos típicos
que se mencionan como sistemas que presentan criticalidad
auto-organizada. De hecho, algunos autores habían
presentado trabajos experimentales con anterioridad al
nuestro en los que construían la estadística de las
avalanchas de un medio granular en un tambor rotante y
concluían que sus resultados experimentales apoyaban la
existencia de criticalidad auto-organizada. Nosotros no
estábamos de acuerdo con ese punto de vista, al menos para
los materiales granulares formados por partículas de
tamaños del orden de las diez micras o menor. En estos
materiales las fuerzas atractivas entre partículas son
relevantes para el comportamiento del material. Esto hace
esperar que en una pila de estos materiales exista una
longitud característica dada por la distancia a la cual
las variaciones en las componentes del tensor de esfuerzos
sean comparables a la cohesión del material resultante de
las fuerzas atractivas entre partículas. Así que hicimos
nuestro propio experimento en el que se construía la
estadística de las avalanchas de materiales micrométricos
en un tambor rotante. Usamos distintos materiales con
distinta cohesión. Como esperábamos, las avalanchas tenían
un tamaño típico que dependía de la cohesión del material.
En este artículo
presentamos un modelo semi-analítico para el contacto
elasto-plástico con adhesión entre una esfera deformable y
un semiespacio rígido. Un contacto elastoplástico es aquel
en el que existe una región dentro del cuerpo o cuerpos
deformables en el que la deformación es irreversible
(deformación plástica) rodeada de otra región en la que la
deformación es reversible (deformación elástica). Sólo la
deformación elástica se recupera cuando se elimina la
fuerza de carga sobre los cuerpos en contacto, con lo que
los cuerpos en contacto quedan deformados y la curva de
fuerza de carga frente a deformación durante la descarga
difiere de la obtenida durante la carga del contacto.
Aunque existen modelos analíticos para el contacto
elástico (sólo deformación reversible) y para la curva de
carga del contacto plástico (sólo deformación
irreversible), los modelos que existían para describir el
ciclo completo de carga y descarga de un contacto
elastoplástico eran muy simplificados. La razón es que,
para poder predecir el límite de la región de deformación
plástica dentro de los cuerpos en contacto hay que
resolver de forma autoconsistente los esfuerzos dentro de
ellos, lo que no resulta fácil si no se hacen
simplificaciones muy drásticas. Nuestro modelo supone una
mejora con respecto a los ya existentes en que, a nuestro
juicio, hace unas simplificaciones más razonables, aunque
a costa de una complejidad matemática algo mayor. El
modelo asume que la fuerza de carga aplicada sobre la
esfera es normal a la superficie de contacto y que en el
área de contacto no existe fricción. En el límite en el
que la región de deformación plástica ocupa toda el aérea
de contacto, este modelo tiende al modelo desarrollado por
Mesarovic y Johnson en S. Dj. Mesarovic and K. L. Johnson,
Adhesive contact of elastic-plastic spheres, J. Mech.
Phys. Solids 48, 2009-2033 (2000). El modelo se comparó
con simulaciones de dinámica molecular del contacto entre
una esfera deformable y un semiespacio rígido. El grado de
parecido entre los resultados del modelo numérico y el
semi-analítico fue notable.
En un microscopio de
fuerzas la imagen de un sustrato de reconstruye a partir
de la deflexión y/o la torsión que experimenta una
micropalanca cuando se escanea con ella el sustrato. En
concreto, en el modo llamado en inglés "Lateral Force
Microscopy", la micropalanca se desplaza con respecto al
sustrato perpendicularmente a su eje axial, lo que causa
una torsión de la micropalanca que es medida por una haz
laser que incide en la micropalanca y se refleja hay un
fotodiodo múltiple. En este artículo presentamos un método
para calibrar la sensibilidad de un microscopio de fuerzas
a las fuerzas laterales ejercidas sobre la micropalanca
cuando se usa de esta manera. La sensibilidad es la
constante que relaciona la señal de salida del fotodiodo
(en Voltios) con la torsión de la micropalanca (en
radianes). El método es aplicable a micropalancas a las
que se ha adherido una partícula en una posición
desplazada con respecto al eje axial de la micropalanca y
es una adaptación del método descrito en A. Feiler, P.
Attard, and I. Larson, Rev. Sci. Instum. 71, 2746 (2000).
La ventaja sobre el método de Feiler es que la calibración
de la sensibilidad se hace simultáneamente con la
adquisición de datos, lo que, aparte de suponer un ahorro
de tiempo, evita los posibles errores debidos a cambios en
la sensibilidad al tener que montar y desmontar la
micropalanca entre la calibración y las medidas. Nuestro
método puede también usarse para medir la constante
elástica de torsión de la micropalanca. La constante
elástica de torsión relaciona el ángulo de torsión de la
micropalanca con el momento que actúa sobre ella. Sin
embargo, para este tipo de medidas es necesario asegurar
que la micropalanca se encuentra perfectamente alineada
perpendicularmente al plano del fotodiodo.
Publicaciones científicas principales:
Autores: Miguel Ángel Sánchez
Quintanilla, Dave Goddard .
Autores: Francisco Antonio
Gilabert Villegas, Jose Manuel Valverde, Miguel Ángel
Sánchez Quintanilla, and Antonio Castellanos Mata.
Autores: Miguel Ángel Sánchez Quintanilla, Jose Manuel
Valverde, Antonio Castellanos.
Autores:Antonio Castellanos Mata, Jose Manuel Valverde
Millán, Miguel Ángel Sánchez Quintanilla.
Autores: Jose Manuel Valverde Millán, Antonio
Castellanos Mata, Miguel Ángel Sánchez Quintanilla.
Patentes:
Libros de divulgación:
Tecnología de Medios Granulares. Santander (ESPAÑA).
Secretariado de Publicaciones de la Universidad de
Sevilla. 2008.
Autores: Valverde Millán, Jose Manuel, Castellanos
Mata, Antonio, Sánchez Quintanilla, Miguel Ángel.
Análisis de superficie usando el modo de contacto
AFM. En: Encyclopedia of Tribology. Springer-Verlag Berlin
Heidelberg. 2013.
Autores: Sánchez Quintanilla, Miguel Ángel.
Estructuración de partículas y estrés de producción
en camas magnetofluidizadas. Vol. 1254. Pag. 33-38. En:
Porous Media and Its Applications in Science, Engineering,
and Industry: 3rd International. The American Institute of
Physics. 2010.
Autores: Valverde Millán, Jose Manuel, Espín Milla,
Manuel Jesús, Sánchez Quintanilla, Miguel Ángel, Castellanos
Mata, Antonio.
Magnetofluidización de partículas finas de
magnetita. Vol. 1145. Pag. 119-122. En: Powders and Grains
2009: Proceedings of the 6th International Conference on
Micromechanics. The American Institute of Physics. 2009.
Autores: Sánchez Quintanilla, Miguel Ängel, Espín
Milla, Manuel Jesús, Valverde Millán, Jose Manuel,
Castellanos Mata, Antonio.
Electrofluidización de campo alterno. Vol. 1145.
Pag. 97-100. En: Powders and Grains 2009: Proceedings of
the 6th International Conference on Micromechanics. The
American Institute of Physics. 2009.
Autores: Espín Milla, Manuel Jesús, Valverde Millán,
Jose Manuel, Sánchez Quintanilla, Miguel Ángel, Castellanos
Mata, Antonio.
Tésis dirigidas y co-dirigidas:
Optimización de captura de CO2 a través de lechos
fijos y fluidizados de adsorbentes a base de calcio a
escala de laboratorio. Tesis Doctoral. 2016.
Autor: Ebri Pérez, Jose Manuel
Propagación de sonido en medios granulares
cohesivos. Tesis Doctoral. 2017.
Autor: Ruiz Botello, Francisco.
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