¿Cómo corta un cuchillo a nivel atómico?

Question

Como dice el título. Es de sentido común que las cosas afiladas cortan, pero ¿cómo funcionan a nivel atómico?

Answer 1

En el caso de la materia orgánica, como el pan y la piel humana, el corte es un proceso sencillo porque las células/tejidos/proteínas/etc. pueden romperse con relativamente poca energía. Esto se debe a que la materia orgánica es mucho más flexible y las moléculas se unen a través de interacciones intermoleculares débiles, como los enlaces de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals.

Sin embargo, para la materia inorgánica es mucho más complicado. Puede estudiarse experimentalmente, por ejemplo, mediante nanoindentación + AFM experimentos, pero gran parte de los conocimientos que tenemos proceden de simulaciones por ordenador.

Por ejemplo, esta es una imagen tomada de una dinámica molecular estudiar donde cortan el cobre (azul) con cuchillas de diferentes formas (rojo):

En cada caso, la hoja penetra en el lado derecho del bloque y es arrastrada hacia la izquierda. Puedes ver los átomos amortiguar en las inmediaciones debido a la alta presión y luego se deforman alrededor de la hoja. Esta es una respuesta básica a su pregunta.

Pero hay algunos mecanismos más complicados en juego. Para que un material se deforme debe ser capaz de generar dislocaciones que puede propagarse a través del material. Aquí es una escala mucho mayor ( $10^7$ átomos) simulación de dinámica molecular de una hoja arrastrada (hacia la izquierda) por la superficie del cobre. Las regiones azules muestran las dislocaciones:

Ese anillo azul que recorre la masa a lo largo de [10-1] es un bucle de dislocación.

Si estas dislocaciones se encuentran con un límite del grano entonces se necesita más energía para moverlos, lo que hace que el material sea más duro. Por esta razón, muchos materiales (como los metales, que son blandos) se fabrican intencionadamente para que sean granulados.

También puede haber mecanismos bastante exóticos. Esta es una imagen de un reciente Papel de la naturaleza en el que una nanopunta se introduce a la fuerza en la calcita (un material muy duro pero quebradizo):

Lo que es realmente interesante es que, inicialmente, gemelos de cristal (visible en la Etapa 1) para disipar la energía - esto implica que las capas del cristal cambian su orientación para acomodar la tensión - antes de agrietarse y finalmente amorfosarse.

En resumen: ¡es complicado pero muy interesante!

Answer 2

Depende de lo que se corte.

Cuando se corta el metal, lo que ocurre es que, a pequeña o no tan pequeña escala, se tijeras . Esto significa que las capas se deslizan unas sobre otras. El mecanismo por el que se deslizan unas sobre otras es que hay imperfecciones en la estructura del cristal llamadas dislocaciones y las capas de cristal pueden moverse haciendo que las dislocaciones se muevan en la otra dirección.

Puedes visualizarlo con la cremallera de una chaqueta. Supongamos que la cremallera está toda cerrada, excepto por una pequeña protuberancia en la que N dientes de un lado y N+1 dientes del otro lado no están bloqueados juntos, y supongamos que esta protuberancia puede ser movida, al bloquear los dientes juntos en un extremo mientras se separan en el otro.

Si se permite que la protuberancia recorra toda la longitud de la cremallera, entonces los dientes que originalmente estaban trabados entre sí, ahora se traban con el diente vecino. Así es como las capas de un cristal pueden deslizarse unas sobre otras: por las pequeñas protuberancias que viajan rápidamente en la otra dirección.

Una forma de hacer que un metal (o cualquier material cristalino) sea duro y, por tanto, resistente al corte, es disponerlo de manera que no tenga dislocaciones, o que las dislocaciones que tenga estén "clavadas" para que no puedan moverse.

Answer 3

Un cuchillo afilado sigue teniendo varias moléculas de grosor en el filo; las hojas desafiladas son aún más anchas. Por eso, cuando se intenta cortar un material, hay que desgarrarlo. Como se ha explicado en otras respuestas, el material se fractura a lo largo de las fallas de la red, o se separan las moléculas (como cuando se corta el pan).

Los únicos materiales en los que se podrían dividir los enlaces químicos son el caucho vulcanizado y los polímeros. En teoría, un neumático de camión minero es una molécula.