El vientre de una langosta está revestido con una membrana delgada y translúcida que es elástica y sorprendentemente resistente. Esta armadura marina, como informaron los ingenieros del MIT en 2019, está hecha del hidrogel más resistente conocido en la naturaleza, que también es altamenteflexible. Esta combinación de fuerza y estiramiento ayuda a proteger a una langosta mientras se arrastra por el fondo marino, al mismo tiempo que le permite flexionarse hacia adelante y hacia atrás para nadar.
Ahora, un equipo independiente del MIT ha fabricado un material a base de hidrogel que imita la estructura del vientre de la langosta. Los investigadores pasaron el material a través de una batería de pruebas de estiramiento e impacto, y demostraron que, al igual que en el vientre de la langosta, el material sintéticoes notablemente "resistente a la fatiga", capaz de soportar repetidos estiramientos y tensiones sin romperse.
Si el proceso de fabricación pudiera ampliarse significativamente, los materiales hechos de hidrogeles nanofibrosos podrían usarse para hacer tejidos de reemplazo elásticos y fuertes, como tendones y ligamentos artificiales.
Los resultados del equipo se publican en la revista Materia . Los coautores del artículo del MIT incluyen a los postdoctorados Jiahua Ni y Shaoting Lin; los estudiantes graduados Xinyue Liu y Yuchen Sun; el profesor de aeronáutica y astronáutica Raul Radovitzky; el profesor de química Keith Nelson; el profesor de ingeniería mecánica Xuanhe Zhao; y el ex científico investigador DavidVeysset PhD '16, ahora en la Universidad de Stanford; junto con Zhao Qin, profesor asistente en la Universidad de Syracuse, y Alex Hsieh del Laboratorio de Investigación del Ejército.
giro de la naturaleza
En 2019, Lin y otros miembros del grupo de Zhao desarrollaron un nuevo tipo de material resistente a la fatiga hecho de hidrogel, una clase de materiales similares a la gelatina hechos principalmente de agua y polímeros reticulados. Fabricaron el material a partir de fibras ultrafinasde hidrogel, que se alineó como muchas hebras de paja recolectada cuando el material se estiró repetidamente. Este ejercicio también aumentó la resistencia a la fatiga del hidrogel.
"En ese momento, teníamos la sensación de que las nanofibras en los hidrogeles eran importantes y esperábamos manipular las estructuras de las fibrillas para poder optimizar la resistencia a la fatiga", dice Lin.
En su nuevo estudio, los investigadores combinaron una serie de técnicas para crear nanofibras de hidrogel más fuertes. El proceso comienza con el electrohilado, una técnica de producción de fibras que utiliza cargas eléctricas para extraer hilos ultrafinos de las soluciones poliméricas. El equipo utilizó cargas de alto voltajepara hacer girar nanofibras a partir de una solución de polímero, para formar una película plana de nanofibras, cada una de las cuales mide aproximadamente 800 nanómetros, una fracción del diámetro de un cabello humano.
Colocaron la película en una cámara de alta humedad para soldar las fibras individuales en una red robusta e interconectada, y luego colocaron la película en una incubadora para cristalizar las nanofibras individuales a altas temperaturas, fortaleciendo aún más el material.
Probaron la resistencia a la fatiga de la película colocándola en una máquina que la estiró repetidamente durante decenas de miles de ciclos. También hicieron muescas en algunas películas y observaron cómo se propagaban las grietas a medida que las películas se estiraban repetidamente. A partir de estas pruebas,calcularon que las películas nanofibrosas eran 50 veces más resistentes a la fatiga que los hidrogeles nanofibrosos convencionales.
Por esta época, leyeron con interés un estudio de Ming Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, quien caracterizó las propiedades mecánicas del vientre de una langosta. Esta membrana protectora está hecha de láminas delgadas de quitina, un material fibroso naturalque es similar en composición a las nanofibras de hidrogel del grupo.
Guo descubrió que una sección transversal de la membrana de langosta reveló láminas de quitina apiladas en ángulos de 36 grados, similar a la madera contrachapada retorcida o una escalera de caracol. Esta configuración giratoria en capas, conocida como estructura bouligand, mejoró las propiedades de la membranade estiramiento y fuerza.
"Aprendimos que esta estructura de bouligand en el vientre de la langosta tiene un alto rendimiento mecánico, lo que nos motivó a ver si podíamos reproducir tales estructuras en materiales sintéticos", dice Lin.
arquitectura en ángulo
Ni, Lin y los miembros del grupo de Zhao se asociaron con el laboratorio de Nelson y el grupo de Radovitzky en el Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT, y el laboratorio de Qin en la Universidad de Syracuse, para ver si podían reproducir la estructura de la membrana bouligand de la langosta usando su fatiga sintética-películas resistentes.
"Preparamos nanofibras alineadas mediante electrohilado para imitar las fibras quínicas que existían en el vientre de la langosta", dice Ni.
Después de electrohilar películas nanofibrosas, los investigadores apilaron cada una de las cinco películas en ángulos sucesivos de 36 grados para formar una única estructura de bouligand, que luego soldaron y cristalizaron para fortalecer el material. El producto final medía 9 centímetros cuadrados y aproximadamente 30 a40 micrones de espesor, aproximadamente del tamaño de un pequeño trozo de cinta adhesiva.
Las pruebas de estiramiento mostraron que el material inspirado en la langosta se desempeñó de manera similar a su contraparte natural, capaz de estirarse repetidamente mientras resiste desgarros y grietas, una resistencia a la fatiga que Lin atribuye a la arquitectura en ángulo de la estructura.
"Intuitivamente, una vez que una grieta en el material se propaga a través de una capa, es impedida por capas adyacentes, donde las fibras se alinean en diferentes ángulos", explica Lin.
El equipo también sometió el material a pruebas de impacto microbalístico con un experimento diseñado por el grupo de Nelson. Obtuvieron imágenes del material mientras lo disparaban con micropartículas a alta velocidad y midieron la velocidad de las partículas antes y después de romper el material. La diferenciaen velocidad les dio una medida directa de la resistencia al impacto del material, o la cantidad de energía que puede absorber, que resultó ser una sorprendente resistencia de 40 kilojulios por kilogramo. Este número se mide en estado hidratado.
"Eso significa que una bola de acero de 5 milímetros lanzada a 200 metros por segundo sería detenida por 13 milímetros del material", dice Veysset. "No es tan resistente como el Kevlar, que requeriría 1 milímetro, pero el materialsupera al Kevlar en muchas otras categorías ".
No es de extrañar que el nuevo material no sea tan resistente como los materiales antibalísticos comerciales. Sin embargo, es significativamente más resistente que la mayoría de los otros hidrogeles nanofibrosos como la gelatina y los polímeros sintéticos como el PVA. El material también es mucho más elástico que el Kevlar. EstoLa combinación de estiramiento y resistencia sugiere que, si se puede acelerar su fabricación y apilar más películas en estructuras de bouligandos, los hidrogeles nanofibrosos pueden servir como tejidos artificiales flexibles y resistentes.
"Para que un material de hidrogel sea un tejido artificial que soporta cargas, se requieren tanto resistencia como deformabilidad", dice Lin. "Nuestro diseño de material podría lograr estas dos propiedades".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el MIT y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. A través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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