Ling Li, profesor asistente de ingeniería mecánica en Virginia Tech, ha descubierto información sobre la construcción de cerámicas más fuertes y resistentes al estudiar las conchas de moluscos bivalvos.
Esta perspectiva se forma al observar la capacidad de los bloques de construcción minerales básicos en el caparazón para anticipar fracturas, en lugar de centrarse solo en la forma y la química de la estructura. Los resultados de los hallazgos de su grupo se publicaron en el 10 de noviembre., 2020, edición de Comunicaciones de la naturaleza .
El equipo de Li realizó un análisis en profundidad de las estructuras microscópicas de los caparazones de los moluscos de caparazón de corral, bivalvos nativos del Caribe. Los caparazones de estos animales constan de dos capas, una capa interna de nácar y una capa externa de color marrón.La capa interna de nácar, también conocida como nácar, es a menudo iridiscente debido a su estructura regular de capas nanoscópicas, similar al mecanismo de coloración de muchas alas de mosca de botella.
El equipo de Li centró su atención en la capa exterior, que está compuesta por cristales de calcita en forma de prisma dispuestos en un patrón de mosaico. Entre los cristales minerales adyacentes, muy delgados aproximadamente 0,5 micrómetros, menos de una centésima parte del tamaño de un cabello humano existen interfaces orgánicas que unen los cristales. Los cristales de calcita miden aproximadamente medio milímetro de longitud y 50 micrómetros de diámetro, asemejándose a prismas alargados.
A diferencia de muchos cristales geológicos o sintéticos, donde los átomos dentro de sus granos cristalinos están perfectamente dispuestos de manera periódica, los cristales de calcita en las carcasas de las plumas contienen muchos defectos nanoscópicos, compuestos principalmente de sustancias orgánicas.
"Puede considerar la cerámica biológica, en este caso los cristales de calcita de las carcasas de la pluma, como una estructura compuesta, donde muchas inclusiones nanométricas se distribuyen dentro de su estructura cristalina", dijo Li. "Esto es especialmente notable como el cristal de calcita en sí mismosigue siendo un solo cristal ".
Normalmente, la presencia de defectos estructurales significa un sitio de falla potencial. Es por eso que el enfoque normal es minimizar las discontinuidades estructurales o concentraciones de tensión en las estructuras de ingeniería. Sin embargo, el equipo de Li muestra que el tamaño, el espaciado, la geometría, la orientación,y la distribución de estos defectos a nanoescala dentro del biomineral está altamente controlada, mejorando no solo la resistencia estructural sino también la tolerancia al daño a través de grietas y fracturas controladas.
Cuando estas conchas se someten a una fuerza externa, el cristal minimiza la deformación plástica al impedir el movimiento de dislocación, un modo común de deformación plástica en la calcita pura, con la ayuda de esos defectos nanoscópicos internos. Este mecanismo de fortalecimiento se ha aplicado en muchos metales estructuralesaleaciones, como aleación de aluminio.
Además de agregar resistencia, este diseño permite que la estructura use sus patrones de grietas para minimizar el daño en la capa interna. El patrón de enclavamiento en forma de mosaico de los cristales de calcita en la capa del prisma contiene daños a gran escala cuando la fuerza externase extiende a través de los cristales individuales. La estructura puede agrietarse para disipar la energía de carga externa sin fallar.
"Claramente, estos defectos nanoscópicos no son una estructura aleatoria, sino que juegan un papel importante en el control de las propiedades mecánicas de esta cerámica natural", dijo Li. "A través de los mecanismos descubiertos en este estudio, el organismo realmente convierte a los originalmente débilesy calcita quebradiza a una armadura biológica fuerte y duradera. Ahora estamos experimentando un posible procesamiento de fabricación, como la impresión 3D, para implementar estas estrategias para desarrollar compuestos cerámicos con propiedades mecánicas mejoradas para aplicaciones 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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