Las conchas de los organismos marinos se ven golpeadas por los impactos debido a las tormentas y las mareas, las costas rocosas y los depredadores de dientes afilados. Pero como la investigación reciente ha demostrado, un tipo de concha destaca sobre todos los demás en su dureza: la concha.
Ahora, los investigadores del MIT han explorado los secretos detrás de la extraordinaria resistencia al impacto de estos proyectiles. Y han demostrado que esta fuerza superior podría reproducirse en materiales de ingeniería, potencialmente para proporcionar el mejor casco y armadura protectora de la historia.
Los hallazgos se informan en la revista Materiales avanzados en un documento de la estudiante graduada del MIT Grace Gu, postdoctorado Mahdi Takaffoli y el profesor de ingeniería de McAfee Markus Buehler
Las conchas "tienen esta arquitectura realmente única", explica Gu. La estructura hace que el material sea 10 veces más resistente que el nácar, comúnmente conocido como nácar. Esta dureza o resistencia a las fracturas proviene de una configuración única basada en tres diferentesniveles de jerarquía en la estructura interna del material.
La estructura de tres niveles hace que sea muy difícil que las grietas pequeñas se extiendan y agranden, dice Gu. El material tiene una "matriz en zigzag, por lo que la grieta tiene que pasar por una especie de laberinto" para poder extenderse, elladice.
Hasta hace poco, incluso después de que se entendía la estructura de la concha, "no se podía replicar tan bien. Pero ahora, nuestro laboratorio ha desarrollado una tecnología de impresión 3D que nos permite duplicar esa estructura y poder realizar pruebas", dice Buehler, quien es el jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.
Parte de la innovación involucrada en este proyecto fue la capacidad del equipo para simular el comportamiento del material y analizar su desempeño real en condiciones realistas. "En el pasado, muchas pruebas [de materiales protectores] eran pruebas estáticas", explica Gu"Pero muchas aplicaciones para usos militares o deportivos implican una carga altamente dinámica", lo que requiere un examen detallado de cómo los efectos de un impacto se extienden con el tiempo.
Para este trabajo, los investigadores realizaron pruebas en una torre de caída que les permitió observar exactamente cómo aparecieron y se extendieron las grietas, o no se extendieron, en los primeros instantes después de un impacto ". Hubo un sorprendente acuerdo entre el modeloy los experimentos ", dice Buehler.
Esto se debe en parte a que el equipo pudo imprimir materiales compuestos en 3-D con estructuras controladas con precisión, en lugar de usar muestras de conchas reales, que pueden tener variaciones impredecibles que pueden complicar el análisis. Al imprimir las muestras, "podemos usar exactamentela misma geometría "que se usa en las simulaciones por computadora", y llegamos a un acuerdo muy bueno "Ahora, al continuar el trabajo, pueden concentrarse en hacer pequeñas variaciones" como base para la optimización futura ", dice Buehler.
Para probar la importancia relativa de los tres niveles de estructura, el equipo intentó hacer variaciones del material con diferentes niveles de jerarquía. Se introducen niveles más altos de jerarquía incorporando características de escala de longitud más pequeñas en el compuesto, como en una concha realLas estructuras de nivel inferior demostraron ser significativamente más débiles que el nivel más alto perseguido en este estudio, que consistía en las características lamelares cruzadas inherentes a las conchas naturales.
Las pruebas demostraron que la geometría con las características entrecruzadas con forma de caracola era un 85 por ciento mejor para prevenir la propagación de grietas que el material base más fuerte, y un 70 por ciento mejor que una disposición tradicional de compuesto de fibra, dice Gu.
Explica Buehler. Los cascos protectores y otros equipos resistentes a los impactos requieren una combinación clave de resistencia y tenacidad. La resistencia se refiere a la capacidad de un material para resistir el daño, que el acero hace bien, por ejemplo. La dureza, por otro lado, se refiere ala capacidad de un material para disipar energía, como lo hace el caucho. Los cascos tradicionales usan una carcasa de metal para mayor resistencia y un forro flexible para la comodidad y la disipación de energía. Pero en el nuevo material compuesto, esta combinación de cualidades se distribuye por todo el material.
"Esto tiene rigidez, como el vidrio o la cerámica", dice Buehler, pero carece de la fragilidad de esos materiales, gracias a la integración de materiales con diferentes grados de resistencia y flexibilidad dentro de la estructura compuesta. Como el contrachapado, el compuesto está hechoarriba de capas cuyo "grano", o la alineación interna de sus materiales, está orientada de manera diferente de una capa a la siguiente.
Debido al uso de la tecnología de impresión en 3-D, este sistema permitiría producir cascos individualizados u otras armaduras corporales. Cada casco, por ejemplo, podría "adaptarse y personalizarse; la computadora lo optimizaría para usted, segúnen un escaneo de su cráneo, y el casco se imprimiría solo para usted ", dice Gu.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, una beca de posgrado de Ciencia e Ingeniería de Defensa Nacional, el Programa de Instrumentación de Investigación de la Universidad de Defensa DURIP, el Instituto de Nanotecnologías de Soldados ISN y el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería deCanadá.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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