El nácar, la parte iridiscente de las conchas de moluscos, es un cartel para un diseño inspirado biológicamente. A pesar de estar hecho de tiza frágil, la microestructura intrincadamente estratificada del nácar le brinda una capacidad notable para resistir la propagación de grietas, una propiedad materialconocido como tenacidad
Los ingenieros que buscan diseñar materiales más duros han intentado durante mucho tiempo imitar este tipo de capas naturales, que también se encuentran en conchas de caracol, astas de venado y otros lugares. Pero un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Brown sirve como advertencia: no todas las estructuras en capas sontan duro.
El estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , probó otra microestructura en capas reconocida por sus propiedades físicas: las espículas de anclaje de una esponja marina llamada Euplectella aspergillum. Las espículas son pequeños filamentos de vidrio en capas que sujetan las esponjas al fondo marino. La estructura en capas de las espículas a menudo esEn comparación con el nácar, dicen los investigadores, y se supone que la estructura de la espícula mejora de manera similar la dureza. Este nuevo estudio determina lo contrario.
"A pesar de las similitudes entre las arquitecturas de nácar y las espículas de Euplectella, encontramos que la arquitectura de la espícula hace relativamente poco en términos de mejorar su resistencia, en contra de una suposición de larga data", dijo Max Monn, un Ph.D recientemente graduado. estudiante de Brown y coautor del estudio.
Para el estudio, los investigadores compararon la dureza de las espículas de Euplectella con las de otra especie de esponja, Tethya aurantia. Las espículas de Tethya tienen una composición química similar a las espículas de Euplectella pero carecen de la estructura en capas. Para evaluar la dureza, el equipo puso pequeñas muescas enlas espículas y luego las doblaron. Al medir la energía consumida cuando las grietas se propagaron desde las muescas bajo tensión de flexión, los investigadores pudieron cuantificar la dureza de ambos tipos de espículas.
Los experimentos mostraron muy poca diferencia en la dureza entre las dos espículas, lo que sugiere que la estratificación de Euplectella no proporciona mucha mejora de la dureza. Mediante el modelado por computadora, los investigadores pudieron profundizar en por qué la estratificación mejora la tenacidad en algunos materiales yno otros. Los modelos mostraron que la curvatura de la estratificación en espículas cilíndricas apaga la mejora de la dureza de las estructuras en capas. Las capas planas, como las que se encuentran en el nácar, parecen evitar que las grietas se extiendan de una capa a la siguiente, según los investigadores.pero en materiales con capas curvas como las espículas de Euplectella, las grietas pueden saltar de una capa a otra en lugar de detenerse entre las capas.
Los hallazgos revelan una relación previamente desconocida entre curvatura y tenacidad en materiales en capas y tienen implicaciones para el diseño de materiales compuestos bioinspirados, dice Haneesh Kesari, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del artículo.
"Específicamente, muestra que si adoptas una arquitectura en capas para mejorar la dureza de un material, debes tener cuidado con las áreas que requieren que las capas sean curvas", dijo Kesari. "Nuestras medidas de las espículas y resultadosde nuestro modelo computacional muestran que las capas curvas no proporcionan la misma magnitud de mejoras de dureza que cuando las capas son planas ".
Los hallazgos no significan que la estructura en capas de las espículas de Euplectella no sea interesante. El trabajo previo del laboratorio de Kesari ha demostrado que la estructura en capas parece aumentar enormemente la resistencia a la flexión de las espículas, para soportar grandes curvaturas de flexión antes de fallar.Pero la resistencia a la flexión y la tenacidad son propiedades mecánicas muy diferentes, y ayudar a disipar la idea de que las capas siempre mejoran la tenacidad es una idea útil para el diseño bioinspirado en general, dicen los investigadores.
"Nuestro estudio indica que no todas las arquitecturas en capas proporcionan una mejora significativa de la resistencia", dijo Sayaka Kochiyama, estudiante graduada de Brown y coautora del estudio. "Esa mejor comprensión de la relación estructura-propiedad es necesaria para evitar la biomimética ingenua".
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval N000141812494, la National Science Foundation 1562656, la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos y el Consorcio de Subsidios Espaciales de la NASA Rhode Island.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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