Las esponjas marinas conocidas como cestas de flores de Venus permanecen fijas al fondo del mar con nada más que una serie de anclas finas y peludas hechas esencialmente de vidrio. Es un trabajo importante, y una nueva investigación sugiere que es la arquitectura interna de esasanclas, conocidas como basalia spicules, que les ayuda a hacerlo.
Las espículas, cada una de aproximadamente la mitad del diámetro de un cabello humano, están hechas de un núcleo central de sílice vidrio revestido dentro de 25 cilindros de sílice delgados. Visto en sección transversal, la disposición se parece a los anillos en el tronco de un árbol.Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Brown muestra que, en comparación con las espículas tomadas de una especie de esponja diferente que carece de la arquitectura del anillo de los árboles, las espículas de basalia pueden doblarse hasta 2,4 veces más antes de romperse.
"Comparamos dos materiales naturales con composiciones químicas muy similares, uno de los cuales tiene esta arquitectura intrincada y el otro no", dijo Michael Monn, un estudiante graduado de la Universidad de Brown y primer autor de la investigación. "Si bien las propiedades mecánicas delas espículas se han medido en el pasado, este es el primer estudio que aísla el efecto de la arquitectura en las propiedades de las espículas y cuantifica cómo la arquitectura mejora la capacidad de las espículas para doblarse más antes de romperse ".
Es probable que esa capacidad de flexión permita que las espículas se entrelacen en el limo del fondo marino, ayudando a asegurar la fijación segura de la esponja. Una mejor comprensión de cómo funciona esta arquitectura interna de espículas podría ser útil para desarrollar nuevos materiales hechos por el hombre, dicen los investigadores.
La investigación se publica en el Revista del comportamiento mecánico de materiales biomédicos .
Cuando el coautor del estudio, Haneesh Kesari, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown, vio por primera vez la arquitectura interna de las espículas de basalia, se sintió inmediatamente intrigado por la consistencia y la regularidad del patrón ". Parecía una figura de una matemáticalibro ", dijo.
Desde entonces, Kesari ha estado trabajando para comprender la importancia de la arquitectura. En 2015, Kesari, Monn y varios colegas publicaron un análisis que muestra que la disposición de las capas concéntricas de las espículas, que disminuyen gradualmente en grosor desde el centro hacia el exterior- es matemáticamente óptimo para maximizar la fuerza de las espículas.
Este último estudio es una prueba más directa de una propiedad que los investigadores creen que es importante para los anclajes de la espícula: la tensión por falla de flexión, que es el grado en que algo puede doblarse sin romperse.
"Intuitivamente, tiene sentido que las espículas sean mejores anclajes si pudieran girar a través del cieno", dijo Monn. "Haría que fuera mucho más difícil sacarlas que si estuvieran enderezadas. La propiedad mecánica queestá más asociado con esa funcionalidad deseable sería la tensión de falla de flexión "
Para el estudio, los investigadores utilizaron un aparato que diseñaron específicamente para probar hasta dónde se pueden doblar las espículas. Las espículas se colocan en un escenario con un espacio en el medio. Luego se baja una pequeña cuña sobre la espícula, que se doblaen la brecha. Una cámara en el costado del dispositivo toma imágenes, lo que proporciona mediciones precisas de hasta qué punto se doblan las espículas antes de que se rompan.
Monn y Kesari usaron el dispositivo para probar tanto las espículas de basalia de las cestas de flores de Venus como las espículas de una especie diferente: la esponja naranja de puffball. Los dos conjuntos de espículas tienen aproximadamente los mismos diámetros y una composición de sílice esencialmente idénticaPero las espículas puffball carecen de la arquitectura interna de las canastas de flores. Por lo tanto, cualquier diferencia en la tensión de flexión entre los dos podría atribuirse a la arquitectura.
Los experimentos mostraron que las espículas de la canasta de flores podrían doblarse un 140 por ciento más que las espículas de la bola de hojaldre.
"La medida en que las espículas podrían doblarse fue bastante sorprendente ya que están hechas esencialmente de vidrio", dijo Monn. Los ingenieros a menudo usan un modelo llamado teoría de vigas de Euler-Bernoulli para calcular cuánto se doblará una viga bajo una carga, pero esosolo se aplica cuando la magnitud de la flexión es muy pequeña. Las espículas demostraron ser capaces de doblarse demasiado para que la teoría las acomode.
"Lo que dice es que las teorías clásicas que usamos para analizar las pruebas mecánicas de materiales de ingeniería pueden no ser precisas cuando se trata de materiales biológicos", dijo Monn. "Por lo tanto, también debemos cambiar nuestro enfoque de análisis y no solo copiar ypegue lo que hemos estado usando para materiales de ingeniería ".
Monn espera que estudios como este proporcionen los datos necesarios para diseñar modelos adecuados para explicar las propiedades de estas estructuras naturales y, finalmente, utilizar esas estructuras para nuevos materiales hechos por el hombre.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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