Los humanos se han inspirado tecnológicamente en escamas de peces que se remontan a la antigüedad: los romanos, los egipcios y otras civilizaciones vestirían a sus guerreros con armadura de escamas, proporcionando protección y movilidad. Ahora, utilizando técnicas avanzadas de imágenes de rayos X, Lawrence Berkeley NationalLos científicos del Laboratorio Berkeley Lab han caracterizado las escamas de carpa hasta la nanoescala, lo que les permite comprender cómo el material es resistente a la penetración mientras conserva la flexibilidad.
Los investigadores utilizaron potentes rayos de rayos X en la Fuente de luz avanzada ALS de Berkeley Lab para observar cómo reaccionan las fibras en las escamas de la carpa a medida que se aplica el estrés. Como escribieron en su artículo, publicado recientemente en la revista materia , lo que encontraron "bien puede proporcionar una mayor inspiración para el diseño de materiales estructurales sintéticos avanzados con tenacidad y resistencia a la penetración sin precedentes"
"La estructura de los materiales biológicos es absolutamente fascinante", dijo el autor principal Robert Ritchie, de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, quien dirigió este trabajo con Marc Meyers, profesor de nanoingeniería e ingeniería mecánica en la Universidad de California en San Diego. "Nos gustaimitan estas propiedades en materiales de ingeniería, pero el primer paso es ver cómo lo hace la naturaleza "
Las escamas de pez tienen una capa externa dura con una capa interna más suave que es dura y dúctil. Cuando algo como los dientes de un depredador intenta hundirse en las escamas, la capa externa resiste la penetración pero la interna tiene que absorber todo el exceso de carga paramantenga la escala en una sola pieza. ¿Cómo hace esto? Resulta que las fibras en la escala, que está compuesta de colágeno más minerales, están en una orientación retorcida, llamada estructura de Bouligand. Cuando se aplica tensión al material, las fibras giran en secuencia para absorber el exceso de carga.
"Se llama reorientación adaptativa. Es como un material inteligente", dijo Ritchie, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Usando una técnica llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño, podemos seguir eso en realidadtiempo usando el sincrotrón. Lo irradiamos con rayos X y podemos ver las fibras girando y moviéndose ".
El colágeno que forma la piel humana, por otro lado, está "desordenado como un tazón de espagueti, pero puede desenredarse y alinearse para absorber energía, lo que hace que la piel sea increíblemente resistente al desgarro", dijo Ritchie.La estructura en la escala de la carpa está mucho más organizada, pero aún así es un mecanismo de endurecimiento muy efectivo
La otra característica notable de una escala de carpa es el gradiente entre las capas dura y blanda. "Si lo hiciéramos como armadura, tendríamos una interfaz entre el material duro y blando. La interfaz es invariablemente un lugar donde las grietas ylas fallas comienzan ", dijo Ritchie, un experto en cómo fallan los materiales." La forma en que lo hace la naturaleza: en lugar de tener estas interfaces donde hay discontinuidad entre un material y otro, la naturaleza hace un gradiente perfecto del material duro al suave más duro"
Trabajando en colaboración con los investigadores de UC San Diego, el equipo ha estudiado previamente la arapaima, un pez de agua dulce amazónico cuyas escamas son tan duras que son impenetrables para la piraña, así como otras especies. Para este estudio eligieron la carpa,una versión moderna del antiguo pez celacanto, también conocido por tener escamas que actúan como armadura.
Ahora que se han caracterizado los mecanismos de deformación y falla de las escamas de carpa, tratar de reproducir estas propiedades en un material de ingeniería es el próximo desafío. Ritchie señaló que los avances en la impresión 3D podrían proporcionar una forma de producir gradientes de la manera en que lo hace la naturaleza, ypor lo tanto, haga un material que sea duro y dúctil.
"Una vez que tengamos un mejor manejo de cómo manipular la impresión 3D, podemos comenzar a hacer más materiales en la imagen de la naturaleza", dijo.
El ALS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. El estudio fue apoyado por una subvención de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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