Existen pocas estructuras más duras y duraderas en la naturaleza que los dientes o las conchas marinas. El secreto de estos materiales radica en su estructura fina única: están compuestos de diferentes capas en las que se unen numerosas microplaquetas, alineadas en idéntica orientación.
Aunque existen métodos que permiten a los científicos de materiales imitar el nácar, fue un desafío crear un material que imita a toda la concha marina, con propiedades comparables y complejidad estructural.
Ahora un grupo de investigadores dirigido por André Studart, profesor de materiales complejos, ha desarrollado un nuevo procedimiento que imita el modelo natural casi a la perfección. Los científicos pudieron producir un material resistente de varias capas basado en el principio de construcción de los dienteso conchas marinas, y que se compara bien. Los investigadores de ETH lograron, por primera vez, preservar múltiples capas de microplaquetas con diferente orientación en una sola pieza.
Es un procedimiento que los investigadores de ETH llaman fundición por deslizamiento asistida magnéticamente MASC. "Lo maravilloso de nuestro nuevo procedimiento es que se basa en una técnica de 100 años y la combina con la investigación moderna de materiales", dice el doctorado de Studart.estudiante Tobias Niebel, coautor de un estudio recién publicado en la revista especializada Materiales de la naturaleza .
Renacimiento de una técnica de 100 años
Así es como funciona MASC: los investigadores primero crean un molde de yeso para servir como molde. En este molde, vierten una suspensión que contiene plaquetas de cerámica magnetizadas, como las plaquetas de óxido de aluminio. Los poros del molde de yeso absorben lentamente el líquidode la suspensión, lo que hace que el material se solidifique y se endurezca desde afuera hacia adentro.
Los científicos crean una estructura en forma de capa aplicando un campo magnético durante el proceso de fundición, cambiando su orientación a intervalos regulares. Mientras el material permanezca líquido, las plaquetas de cerámica se alinean con el campo magnético. En el material solidificado, elLas plaquetas conservan su orientación.
A través de la composición de la suspensión y la dirección de las plaquetas, se puede utilizar un proceso continuo para producir múltiples capas con diferentes propiedades de material en un solo objeto. Esto crea materiales complejos que son imitaciones casi perfectas de sus modelos naturales, comonácar o esmalte dental. "Nuestra técnica es similar a la impresión 3D, solo 10 veces más rápida y mucho más rentable", dice Florian Bouville, un post-doc con Studart y coautor del estudio.
Dientes artificiales de moldes de fundición
Para demostrar el potencial de la técnica MASC, el grupo de investigación de Studart produjo un diente artificial con una microestructura que imita la de un diente real. La superficie del diente artificial es tan dura y estructuralmente compleja como un diente real, mientras que la capa debajoes más suave, al igual que la dentina del modelo natural.
La coautora principal del estudio, la estudiante de doctorado Hortense Le Ferrand, y sus colegas comenzaron creando un molde de yeso de una muela del juicio humana. Luego llenaron este molde con una suspensión que contenía plaquetas de óxido de aluminio y nanopartículas de vidrio como mortero.Usando un imán, alinearon las plaquetas perpendiculares a la superficie del objeto. Una vez que la primera capa estuvo seca, los científicos vertieron una segunda suspensión en el mismo molde. Esta suspensión, sin embargo, no contenía partículas de vidrio.la segunda capa se alineó horizontalmente a la superficie del diente usando el imán.
Esta estructura de doble capa se 'disparó' a 1.600 grados para comprimir y endurecer el material: el término sinterización se utiliza para este proceso. Finalmente, los investigadores llenaron los poros que quedaron después de la sinterización con un monómero sintético utilizado en odontología, que posteriormente polimerizó.
Los dientes artificiales se comportan como los dientes reales
Los investigadores están muy contentos con el resultado. "El perfil de dureza y tenacidad obtenido del diente artificial se corresponde exactamente con el de un diente natural", dice Studart complacido. El procedimiento y el material resultante se prestan para aplicaciones en odontología.
Sin embargo, como señala Studart, el estudio actual es solo una prueba de concepto inicial, que muestra que la estructura fina natural de un diente puede reproducirse en el laboratorio ". La apariencia del material debe mejorarse significativamenteantes de que pueda usarse para prótesis dentales ". Sin embargo, como explica Studart, el diente artificial muestra claramente que se puede lograr un grado de control sobre la microestructura de un material compuesto, que anteriormente era la única reserva de organismos vivos. Una parte del MASCproceso, la magnetización y orientación de las plaquetas de cerámica, ya ha sido patentado.
Sin embargo, el nuevo proceso de producción de materiales biomiméticos tan complejos también tiene otras aplicaciones potenciales. Por ejemplo, las plaquetas de cobre podrían usarse en lugar de las plaquetas de óxido de aluminio, lo que permitiría el uso de dichos materiales en la electrónica ".la orientación de las plaquetas se puede combinar según sea necesario, lo que hace posible de manera rápida y fácil una amplia gama de diferentes tipos de materiales con diferentes propiedades ", dice Studart.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Peter Rüegg. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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