Las explosiones producen patrones únicos de lesiones que rara vez se ven fuera del combate. Tienen el potencial de causar lesiones que amenazan la vida y tener un costo particular en el cerebro.
Ashfaq Adnan, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Arlington UTA, y su asociado postdoctoral Yuan Ting Wu publicaron resultados de investigación en Informes científicos en julio de 2017 reveló cómo las explosiones en el campo de batalla pueden causar burbujas en las redes perineuronales del cerebro que, a su vez, pueden colapsar y dañar las neuronas.
"Este estudio revela que si un evento similar a una explosión afecta el cerebro bajo ciertas circunstancias, las fuerzas mecánicas podrían dañar la red perineuronal ubicada adyacente a las neuronas, lo que podría provocar daños en las neuronas mismas", dijo Adnan.Es importante probar este concepto para que la investigación futura pueda abordar cómo prevenir el daño por cavitación y proteger mejor a nuestros soldados "
La cavitación es el desarrollo de burbujas, al igual que las que se forman alrededor de las hélices giratorias de un barco. Los escáneres existentes no pueden detectar si se forman burbujas de cavitación dentro del cerebro debido a explosiones o cómo estas explosiones afectan las neuronas individuales de una persona, las células cerebrales responsables del procesamientoy transmitir información.
La investigación de Adnan utilizó simulaciones de dinámica molecular impulsadas por supercomputadora para estudiar el daño estructural en el área de redes perineuronales PNN en el cerebro. Luego determinó el punto en el que las fuerzas mecánicas pueden dañar el PNN o dañar las neuronas.
La investigación fue apoyada por una subvención a través del Departamento de Desempeño Warfighter de la Oficina de Investigación Naval y UTA.
Modelando los efectos de explosiones de bombas
La comprensión de los detalles de la subestructura de la PNN requiere un modelado de resolución extremadamente alta, que fue posible gracias a más de 1 millón de horas de cómputo en la supercomputadora Stampede, financiada por la National Science Foundation, en el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC.El equipo pudo acceder a los recursos de TACC a través de una iniciativa única, llamada Infraestructura Cibernética de Investigación de la Universidad de Texas UTRC, que brinda a los investigadores de las 14 universidades públicas y centros de salud del estado acceso a los sistemas y la experiencia del personal de TACC.
El equipo ejecutó 36 conjuntos de simulaciones, cada una de las cuales modeló las interacciones de más de un millón de átomos y usó miles de procesadores de computadora simultáneamente.
"El estudio sugiere que cuando una onda de choque llega al cerebro, la onda puede alcanzar la escala atomística e interactuar con las moléculas de agua, las biomoléculas e incluso los iones", dijo Adnan. "La ciencia se extiende desde la escala atomística hastaescala macroscópica: nueve órdenes de magnitud más grandes. A diferentes escalas de longitud, tenemos diferentes marcos físicos y temporales que tenemos que capturar y no podemos ignorar uno sobre el otro. Por lo tanto, tenemos que modelar este complicado sistema en elde la manera más detallada posible para ver qué está pasando "
El equipo se enfocó en el daño en hialuronano, que es el componente estructural principal de la red. Sus resultados muestran que las fuerzas supersónicas localizadas creadas por un colapso asimétrico de la burbuja pueden generar un fenómeno conocido como "golpe de ariete" - una poderosa onda de presión- que puede romper el hialuronano. La investigación mejora el conocimiento actual y la comprensión de la conexión entre el daño a la red perineuronal y los trastornos neurodegenerativos.
"Los hallazgos publicados recientemente por el Dr. Adnan ofrecen información importante sobre cómo se ve afectado el cerebro en escenarios de combate", dijo Duane Dimos, vicepresidente de investigación de UTA. "Comprender los efectos de las lesiones por explosión en el cerebro y saber que ocurre la cavitación es unpaso importante para encontrar mejores formas de prevenir lesiones cerebrales traumáticas en el campo de batalla "
Estudio de materiales del transbordador espacial con supercomputadoras
Paralelamente a su investigación sobre el cerebro, Adnan trabaja para desarrollar materiales a base de cerámica para aplicaciones estructurales avanzadas, especialmente para vehículos de reentrada en transbordadores espaciales.
Sus diseños computacionales de novedosos materiales cerámicos multifásicos de cerámica y cerámica-metal están ayudando a comprender mejor estos materiales, por lo que se pueden crear nuevos y mejores.
En enero de 2018, Adnan y su estudiante de doctorado Md. Riaz Kayser publicaron un artículo en el Revista de la Sociedad Americana de Cerámica , en colaboración con experimentadores de Missouri Science and Tech que describen un estudio molecular de las propiedades mecánicas de ZrB 2 diboruro de circonio y ZrC-ZrB 2 un nanocompuesto de carburo de circonio-diboruro de circonio.
"Estos materiales pertenecen a una clase de cerámica refractaria llamada Cerámica de temperatura ultra alta o UHTC, uno de los pocos sistemas de materiales que pueden usarse para vehículos hipersónicos", dijo Adnan. "Los vehículos van a una velocidad tan alta quenecesitan sobrevivir a temperaturas superiores a 3600 grados Fahrenheit y la mayoría de los materiales se derretirán. Los UHTC son los únicos materiales que pueden sobrevivir en condiciones extremas ".
Aunque resistentes y resistentes al calor, estos híbridos metal-cerámicos son frágiles. En el desastre del transbordador Columbia de 2003, una baldosa cerámica se rompió y se desprendió y el material debajo se derritió, lo que llevó al accidente. El objetivo general de Adnan es mejorar elpropiedades del material para que no se rompan fácilmente.
"Revelamos a través de nuestro estudio que la sabiduría convencional, de que si se coloca una nanopartícula en el sistema siempre se obtendrían mejores resultados, no está necesariamente garantizada", explicó. "Lo que observamos es que la resistencia del grano-los materiales límite en la nanoescala son más débiles que cualquier otra parte del material. Como tal, la presencia de nanopartículas no mejora su resistencia. El documento trata sobre encontrar la razón fundamental detrás de por qué el nano-refuerzo no siempre es muy efectivo.necesitamos diseñar nuestro proceso de fabricación para aprovechar al máximo la infusión de nanopartículas en materiales cerámicos ".
Aunque esta línea de investigación parece estar muy lejos de las simulaciones de explosiones de bombas que dañan el cerebro, en realidad es mucho más similar de lo que parece.
"Mi interés está en el comportamiento de los materiales a escala atómica. Las herramientas que utilizo son las mismas, solo la aplicación es diferente", dijo Adnan. "Tenemos la experiencia en nuestro grupo y entre nuestros colaboradores quenos permite ser altamente diversificados y multidisciplinarios "
La investigación es apoyada por una subvención del programa de Ingeniería y Procesamiento de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow y Jeremy Agor. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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