Ling Li tiene una lección en uno de sus cursos de ingeniería mecánica sobre cómo se comportan bajo estrés los materiales frágiles como el carbonato de calcio. En él, toma un trozo de tiza compuesto por el compuesto y lo rompe por la mitad para mostrar a sus alumnos el borde deuna de las piezas rotas. La rotura es contundente y recta.
Luego, tuerce una segunda pieza, lo que da como resultado fragmentos más afilados que se rompen en un ángulo de 45 grados, lo que indica la dirección más peligrosa de la tensión de tracción en la tiza. La tiza rota ayuda a Li a demostrar lo que hará el carbonato de calcio quebradizo bajo fuerzas normales: tiende a fracturarse.
"Si lo dobla, se romperá", dijo Li.
En el Laboratorio de Li para Materiales Biológicos y Bioinspirados, muchos de los animales del océano que él estudia por sus materiales estructurales biológicos tienen partes hechas de carbonato de calcio. Algunos moluscos lo usan en cristales fotónicos que crean una exhibición de colores vívidos, "como el de una mariposa"Alas", dijo Li. Otros tienen ojos minerales incorporados en sus caparazones. Cuanto más estudia Li a estos animales, más se sorprende por los usos que sus cuerpos encuentran para materiales intrínsecamente frágiles y frágiles. Especialmente cuando el uso desafía esa fragilidad.
en un estudio publicado por Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América , el equipo de investigación de Li se centró en la sepia, otro de esos inventivos animales construidos con tiza y un viajero de las profundidades del océano. Los investigadores investigaron la microestructura interna de la sepia, la capa interna altamente porosa del molusco, y encontraron que la microestructuraEl exclusivo diseño de "tabiques de pared" con cámara optimiza la jibia para que sea extremadamente ligera, rígida y tolerante a los daños. Su estudio se adentra en las estrategias de diseño de materiales subyacentes que le dan a la jibia estas propiedades mecánicas de alto rendimiento, a pesar de que la composición de la concha es principalmente de aragonito frágil, una forma cristalina de carbonato de calcio.
En el océano, la sepia usa la sepia como un tanque de flotabilidad duro para controlar su movimiento hacia arriba y hacia abajo de la columna de agua, a profundidades tan bajas como 600 metros. El animal ajusta la proporción de gas a agua en ese tanque para flotar hacia arriba o hacia abajo.hundirse. Para cumplir este propósito, el caparazón debe ser liviano y poroso para el intercambio activo de líquidos, pero lo suficientemente rígido como para proteger el cuerpo de la sepia de la fuerte presión del agua a medida que se sumerge más profundo. Cuando la sepia se aplasta por la presión o por la mordedura de un depredador, tiene que ser capaz de absorber mucha energía. De esa manera, el daño permanece en un área localizada del caparazón, en lugar de romper toda la sepia.
La necesidad de equilibrar todas estas funciones es lo que hace que la jibión sea tan única, descubrió el equipo de Li, al examinar la microestructura interna del caparazón.
El estudiante de doctorado y coautor del estudio, Ting Yang, utilizó una micro tomografía computarizada basada en sincrotrón para caracterizar la microestructura del hueso de la sepia en 3D, penetrando el caparazón con un potente haz de rayos X del Laboratorio Nacional Argonne para producir imágenes de alta resolución.Ella y el equipo observaron lo que sucedió con la microestructura del caparazón cuando se comprimió aplicando el método de tomografía in situ durante las pruebas mecánicas. Combinando estos pasos con la correlación de imágenes digitales, que permite la comparación de imágenes cuadro por cuadro, estudiaron la imagen completa de la jibiaprocesos de deformación y fractura bajo carga.
Sus experimentos revelaron más sobre la microestructura de septa de pared con cámara de jibión y su diseño para optimizar el peso, la rigidez y la tolerancia al daño.
El diseño separa la jibia en cámaras individuales con pisos y techos, o "septos", sostenidos por "paredes" verticales. Otros animales, como las aves, tienen una estructura similar, conocida como estructura "sándwich". Con una capa densahueso encima de otro y puntales verticales en el medio para soporte, la estructura se hace liviana y rígida. Sin embargo, a diferencia de la estructura sándwich, la microestructura de la jibia tiene múltiples capas, esas cámaras, y están sostenidas por paredes onduladas en lugar de puntales rectos.La ondulación aumenta a lo largo de cada pared desde el suelo hasta el techo en un "gradiente de ondulación".
"La morfología exacta que no hemos visto, al menos en otros modelos", dijo Li sobre el diseño. Este diseño de tabique de pared permite controlar dónde y cómo se produce el daño en el caparazón. Permite un diseño elegante, en lugar decatastrófica, falla: cuando se comprimen, las cámaras fallan una por una, progresivamente en lugar de instantáneamente.
Los investigadores descubrieron que las paredes onduladas de la jibión inducen o controlan la formación de fracturas en el medio de las paredes, en lugar de en los pisos o techos, lo que provocaría el colapso de toda la estructura. Cuando una cámara sufre una fractura de pared y una densificación posterior, en la queLas paredes fracturadas se compactan gradualmente en la cámara dañada: la cámara adyacente permanece intacta hasta que las piezas fracturadas penetran en sus pisos y techos. Durante este proceso, se puede absorber una cantidad significativa de energía mecánica, explicó Li, lo que limita el impacto externo.
El equipo de Li exploró más a fondo el potencial de alto rendimiento de la microestructura de la jibión con modelado computacional. Usando mediciones de la microestructura hechas con la tomografía 3D anterior, el investigador postdoctoral Zian Jia construyó un modelo paramétrico, realizó pruebas virtuales que alteraron la ondulación de las paredes de la estructura, y observó cómo se comportó el caparazón como resultado.
"Sabemos que el hueso de la jibia tiene estas paredes onduladas con un gradiente", dijo Li. Zian cambió el gradiente para que pudiéramos aprender cómo se comportaba el hueso de la jibia si íbamos más allá de esta morfología. ¿Es mejor o no?en un lugar óptimo. Si la ondulación se vuelve demasiado grande, la estructura es menos rígida. Si las olas se hacen más pequeñas, la estructura se vuelve más frágil. Jibión parece haber encontrado un punto óptimo, para equilibrar la rigidez y la absorción de energía. "
Li ve aplicaciones para el diseño microestructural de cuttlebone en espumas cerámicas. Entre las espumas utilizadas para resistencia al aplastamiento o absorción de energía en empaque, transporte e infraestructura, los materiales poliméricos y metálicos son las opciones más populares. Las espumas cerámicas rara vez se usan porque son frágiles, Dijo Li. Pero la cerámica tiene sus propias ventajas únicas: son más estables químicamente y tienen una temperatura de fusión alta.
Si las propiedades de la jibia se pudieran aplicar a las espumas cerámicas, su capacidad para soportar altas temperaturas junto con la tolerancia al daño recién descubierta podría hacer que las espumas cerámicas sean ideales para su uso como unidades de protección térmica en transbordadores espaciales o como protección térmica general, cree Li. Su equipo ha sidoevaluando esa aplicación en un estudio separado.
Aunque el equipo ya ha comenzado a mirar desde el mar hacia el cielo hacia las posibilidades que inspira Jibión, su estudio de las estrategias de diseño fundamentales del caparazón es tan importante para Li.
"La naturaleza fabrica una gran cantidad de materiales estructurales", dijo Li. Estos materiales se fabrican a temperatura ambiente y presión atmosférica regular, a diferencia de los metales, que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente para producirlos; es necesario utilizar altas temperaturas y refracciónprocesos para metales.
"Estamos intrigados por tales diferencias entre los materiales estructurales biológicos y los materiales estructurales de ingeniería. ¿Podemos unir estos dos y brindar información sobre la fabricación de nuevos materiales estructurales?"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Tecnología de Virginia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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