Los investigadores de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de Purdue están un paso más cerca de desarrollar materiales compuestos súper fuertes, gracias al camarón mantis, un pequeño crustáceo marino multicolor que aplasta las conchas de sus presas usando un apéndice en forma de puño llamadoun club de dactyl.
Su última investigación, que se publicará en la revista Materiales avanzados , describe por primera vez una estructura de espiga única, no reportada previamente en la naturaleza, dentro de la capa externa del apéndice. Es esta estructura de espiga resistente que no solo protege el palo durante el impacto, sino que también permite que los camarones mantis inflijan un daño increíblea su presa.
Los camarones mantis, también llamados estomatópodos, vienen en dos variedades: 'aplastadores' y 'spears'. Mientras que los spears matan a sus presas empujando una lanza hacia criaturas marinas de cuerpo blando, los smashers matan presas de caparazón duro como cangrejos y caracoles pulverizandocon una velocidad y fuerza increíbles. El club de dáctilo puede alcanzar una aceleración de 10,000 g, desatando una andanada de impactos con la velocidad de una bala calibre .22.
Durante los últimos ocho años, David Kisailus, profesor dotado de Winston Chung en Innovación Energética en la Facultad de Ingeniería Bourns de la UCR, y su equipo han estado estudiando los clubes de dactilos de los destructores y los han utilizado como inspiración en su desarrollo de materiales compuestos de próxima generación.Nature Inspired Industries, una reciente startup dirigida por Kisailus que surgió de la Oficina de Investigación y Desarrollo Económico de UC Riverside, ya está traduciendo sus productos a productos del mundo real.
En trabajos anteriores, incluido un estudio de 2012 publicado en la revista Science, los investigadores identificaron varias regiones diferentes del club de dáctilo, incluida una región interior, llamada región periódica, con una estructura absorbente de energía que también filtra los dañosondas de corte, que viajan a través de los objetos cuando están bajo tensión. Esta "región periódica" que absorbe energía consta de dos fases: una fase orgánica hecha de quitina, un compuesto que se encuentra en los caparazones de insectos y crustáceos, dispuestos en una estructura helicoidalque se asemeja a una escalera de caracol y una fase inorgánica que comprende fosfato cálcico amorfo y carbonato cálcico.
La investigación actual, financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea en virtud de una Iniciativa de Investigación Multiuniversal de $ 7.5M que lidera Kisailus, describe por primera vez una estructura de espiga única dentro de la capa externa del club de dactilo, llamada región de impacto.
La región de impacto es una capa resistente a las grietas que protege al club mientras el camarón mantis golpea a su presa. Sin embargo, a diferencia de la región periódica, la región de impacto consiste en fosfato de calcio cristalino el mismo mineral que se encuentra en el hueso humano que rodea al orgánicofibras de quitina. Los investigadores encontraron que estas fibras fuertemente mineralizadas se compactaron para formar una "estructura en espiga" que es significativamente más rígida que la estructura en la región periódica. La estructura en espiga compacta altamente ordenada es una disposición sinusoidal graduada de fibras de quitina helicoidales mineralizadascon fosfato de calcio altamente texturado.
Esta estructura de espiga única no solo protege al club del fracaso, sino que también permite que el camarón mantis inflija un daño increíble a su presa al transferir más impulso al impacto.
Aunque el mecanismo de formación de la estructura en espiga aún no se ha confirmado, Kisailus especula que la diferencia de tensiones durante la formación del material cristalino en la región de impacto hace que la disposición helicoidal se doble, lo que se puede ver a gran potenciamicroscopía como un patrón en espiga.
Agregando una capa adicional de complejidad, la capa muy externa de la región de impacto es diferente nuevamente, ofreciendo un recubrimiento delgado, similar a partículas, alrededor de la superficie del club de dactilo que actúa para deslocalizar el estrés que podría provocar una falla catastrófica dentro del club.
Nicholas Yaraghi, un estudiante graduado en el grupo de Kisailus que dirigió la investigación actual, dijo que esta es la primera vez que se observa una estructura en espiga única en la Naturaleza.
"Sabíamos por estudios previos que la región de impacto permite al camarón mantis transferir un impulso increíble a su presa mientras resiste la fractura, pero fue emocionante revelar a través de nuestra investigación que las propiedades de este material altamente resistente al impacto son creadas por elnueva estructura en espiga ", dijo.
Para confirmar sus hipótesis, Kisailus y su grupo de investigación se asociaron con Pablo Zavattieri, Profesor Asociado de Ingeniería Civil y Académico de la Facultad de la Universidad de la Universidad de Purdue, y su equipo para realizar análisis de elementos finitos para comprender el papel de estas estructuras.Los investigadores también fabricaron la estructura en espiga con materiales sintéticos y una impresora 3D.
Zavattieri y su alumno Nicolas Guarín-Zapata construyeron modelos computacionales que replican los detalles locales de la estructura en espiga. Estos modelos explicaron que el estrés dañino puede distribuirse de manera más uniforme, mitigando la falla estructural catastrófica. Las pruebas de compresión del compuesto biomimético de impresión 3D también ayudarondemuestre que la estructura en espiga hace que la región de impacto sea aún más efectiva que la región periódica en la redistribución del estrés y la desviación de las grietas.
"Si bien los resultados del modelado computacional nos dieron una confirmación convincente de la redistribución de tensiones en estas estructuras, llegó el momento" asombroso "cuando probamos nuestras muestras de impresión 3D", dijo Guarín-Zapata.
Kisailus dijo que el descubrimiento de la estructura de espiga altamente resistente al impacto agrega nueva inspiración a medida que su equipo diseña la próxima generación de materiales para una variedad de aplicaciones, incluidas la aeroespacial, automotriz y de blindaje.
"El camarón mantis smasher ha desarrollado este club de dactilos excepcionalmente fuerte y resistente a los impactos para un propósito principal: poder comer. Sin embargo, cuanto más aprendemos sobre esta pequeña criatura y sus diseños estructurales de varias capas, másnos damos cuenta de cuánto nos puede ayudar a medida que diseñamos mejores aviones, autos, equipos deportivos y armaduras ", dijo Kisailus.
Kisailus dijo que los recientes avances en las técnicas de impresión 3D y el modelado están haciendo que sea más fácil que nunca traducir el arma del camarón mantis en nuevos materiales.
"Al utilizar técnicas de impresión en 3D como las utilizadas por el equipo de Zavattieri, podemos tomar lo que hemos aprendido sobre la arquitectura del club de dactilos y fabricar nuevos compuestos con materiales de ingeniería tradicionales como polímeros y fibra de carbono", dijo Kisailus.De hecho, dice que su equipo ya está fabricando la segunda generación de compuestos que incorpora no solo el componente de absorción de energía, sino también la capa externa rígida inspirada en la mantis. Lo ha demostrado al producir un casco con este revestimiento duro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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