Las conchas marinas y las pinzas de langosta son difíciles de romper, pero la tiza es lo suficientemente suave como para dibujar en las aceras. Aunque las tres están hechas de cristales de carbonato de calcio, los materiales duros incluyen grumos de materia biológica suave que los hacen mucho más fuertes. Un estudio realizado hoy en Comunicaciones de la naturaleza revela cómo los grupos blandos entran en los cristales y los dotan de una fuerza notable
Los resultados muestran que dichos grupos se incorporan a través de interacciones químicas con los átomos en los cristales, un mecanismo inesperado basado en la comprensión previa. Al proporcionar información sobre la formación de minerales naturales que son un compuesto de componentes blandos y duros, el trabajo seráayudar a los científicos a desarrollar nuevos materiales para un futuro energético sostenible, basado en este principio.
"Este trabajo nos ayuda a resolver cómo los cristales débiles pueden formar materiales compuestos con propiedades mecánicas notables", dijo el científico de materiales Jim De Yoreo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "También nos proporciona ideas para atrapar carbonodióxido en materiales útiles para lidiar con el exceso de gases de efecto invernadero que estamos poniendo en la atmósfera, o para incorporar nanopartículas sensibles a la luz en matrices cristalinas altamente ordenadas para aplicaciones de energía solar ".
Hermoso y funcional
El carbonato de calcio es uno de los materiales más importantes en la tierra, cristalizando en tiza, conchas y rocas. Los animales, desde moluscos hasta personas, usan carbonato de calcio para fabricar biominerales como perlas, conchas marinas, exoesqueletos o los pequeños órganos en los oídos que mantienenequilibrio. Estos biominerales incluyen proteínas u otra materia orgánica en la matriz cristalina para convertir el carbonato de calcio débil en materiales duros y duraderos.
Los científicos han estado explorando cómo los organismos producen estos biominerales con la esperanza de determinar los principios geoquímicos básicos de cómo se forman, y también cómo construir materiales sintéticos con propiedades únicas en cualquier forma o tamaño deseado.
La resistencia de un material depende de lo fácil que sea romper su matriz de cristal subyacente. Si un material se comprime, entonces se hace más difícil separar la matriz. Las proteínas atrapadas en los cristales de carbonato de calcio crean una fuerza de compresión o tensión- dentro de la estructura cristalina.
A diferencia de la tensión que hace que los músculos duelan, esta tensión de compresión es útil en los materiales, ya que dificulta la alteración de la estructura cristalina subyacente, lo que agrega fuerza. Los científicos entienden cómo las fuerzas, el estrés y la tensión se combinan para hacer materiales fuertes, peroentiendo menos sobre cómo crear los materiales en primer lugar.
Perlas de sabiduría
La explicación principal de cómo los cristales en crecimiento incorporan proteínas y otras partículas es mediante una mecánica simple. Las partículas caen sobre la superficie plana del carbonato de calcio a medida que se cristaliza, y las unidades de carbonato de calcio se adhieren sobre y alrededor de las partículas, atrapándolas.
"La vista estándar es que el frente de cristal se mueve demasiado rápido para que las inclusiones se aparten, como una ola que se extiende sobre una roca", dijo De Yoreo.
El inconveniente de esa idea es que carece de los detalles necesarios para explicar de dónde proviene la tensión dentro del material. Sin embargo, los nuevos resultados de De Yoreo y sus colegas sí lo hacen.
"Hemos encontrado un mecanismo completamente diferente", dijo.
Para descubrir cómo el carbonato de calcio incorpora proteínas u otros componentes de construcción de fuerza, el equipo recurrió a la microscopía de fuerza atómica, también conocida como AFM, en Molecular Foundry, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. En AFM, la punta del microscopio se desliza delicadamente sobre la superficie de una muestra como una aguja que pasa por las ranuras en un disco de vinilo. Esto crea una imagen tridimensional de una muestra bajo el alcance.
El equipo usó una alta concentración de carbonato de calcio que forma naturalmente un mineral cristalino conocido como calcita. La calcita se acumula en capas, creando superficies irregulares durante el crecimiento, como escalones y terrazas en la ladera de una montaña. O imagínese una escalera. Una terraza.es el rellano plano en la parte inferior; los escalones de la escalera tienen bordes verticales desde los cuales crece la calcita, que eventualmente se convierte en terrazas también.
Para sus inclusiones, el equipo creó esferas de moléculas orgánicas y las agregó a la mezcla. Estas esferas llamadas micelas son moléculas que se enrollan como insectos de roly-poly basados en la química a lo largo de sus cuerpos, apuntando hacia afuera son las partes desus moléculas que juegan bien químicamente con el agua circundante y la calcita, mientras que dentro de ellas están las partes que no se llevan bien con el ambiente acuoso.
Mejores compuestos a través de la química
Lo primero que notó el equipo bajo el microscopio es que las micelas no caen al azar en las terrazas planas. En cambio, solo se adhieren a los bordes de los escalones.
"El borde del escalón tiene una química que la terraza no tiene", dijo De Yoreo. "Existen estos enlaces colgantes adicionales con los que las micelas pueden interactuar".
Los bordes se aferran a las micelas cuando los pasos de carbonato de calcio se cierran a su alrededor, uno tras otro. El equipo observó cómo los pasos crecientes apretaban las micelas. Cuando el paso se cerró alrededor de la parte superior de la micela, primero se formó una cavidad y luegodesapareció por completo bajo la superficie del cristal en crecimiento.
Para verificar que las micelas estuvieran realmente enterradas dentro de los cristales, el equipo disolvió el cristal y miró de nuevo. Al igual que al ver una película al revés, el equipo vio aparecer las micelas a medida que las capas de cristal desaparecían.
Finalmente, el equipo recreó el proceso en una simulación matemática. Esto les mostró que las micelas, o cualquier inclusión esférica, se comprimen como resortes a medida que los pasos se cierran a su alrededor. Estos resortes comprimidos crean tensión en la red cristalina entrelas micelas, lo que conduce a una mayor resistencia mecánica. Esta cepa probablemente explica la resistencia adicional que se observa en conchas marinas, perlas y biominerales similares.
"Los pasos capturan las micelas por una razón química, no mecánica, y la compresión resultante de las micelas por los pasos conduce a fuerzas que explican de dónde proviene la fuerza", dijo De Yoreo.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, Institutos Nacionales de Salud.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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