Fuera de las escalas: Tanto los seres humanos resistentes y flexibles

Los investigadores potente de rayos X utilizado vigas en Fuente de luz avanzada del laboratorio de Berkeley (ELA) para ver cómo las fibras en escalas carpa reaccionan como se aplica la tensión. Como escribieron en su artículo, publicado recientemente en la revista La materia, lo que encontraron "bien puede proporcionar más inspiración para el diseño de los materiales estructurales sintéticos avanzados con tenacidad sin precedentes y resistencia a la penetración."

"La estructura de los materiales biológicos es absolutamente fascinante", dijo el autor principal, Robert Ritchie, de la División de Ciencias de los Materiales del laboratorio de Berkeley, que dirigió este trabajo con Marc Meyers, profesor de nanoingeniería y la ingeniería mecánica en la Universidad de California en San Diego. "Nos gusta imitar estas propiedades en materiales de ingeniería, pero el primer paso es ver cómo lo hace la naturaleza."

escamas de pescado tienen una cáscara exterior dura con una capa interior más blanda que es resistente y dúctil. Cuando algo así como los dientes de un depredador tratar a hundirse en la balanza, la capa exterior resistente a la penetración, pero tiene el interior para absorber todo el exceso de carga para mantener la escala de una pieza. ¿Como hace esto? Resulta que las fibras en la escala, que se compone de colágeno además de minerales, están en una orientación trenzado, llamado una estructura Bouligand. Cuando se aplica tensión al material, las fibras giran en secuencia con el fin de absorber el exceso de carga.

"Se llama reorientación de adaptación. Es como un material inteligente", dijo Ritchie, que es también profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de California en Berkeley. "Usando una técnica llamada pequeño ángulo de dispersión de rayos X, que podemos seguir en tiempo real utilizando el sincrotrón. Nos irradiarla con rayos X, y podemos ver realmente las fibras de rotación y movimiento."

El colágeno que compone la piel humana, por el contrario, es "todo en mal estado como un plato de espaguetis, pero puede desentrañar y se alinean para absorber la energía, lo que hace que la piel muy resistente al desgarro", dijo Ritchie. La estructura Bouligand en la escala de la carpa está mucho más organizado, pero todavía lo convierte en un mecanismo de endurecimiento muy eficaz.

La otra característica notable de una escala carpa es el gradiente entre las capas duras y blandas. "Si estuviéramos haciendo que, como armaduras, tendríamos una interfaz entre el material blando y duro. La interfaz es invariablemente un lugar donde las grietas y fallas comienzo", dijo Ritchie, un experto en cómo fallan los materiales. "La naturaleza de la manera lo hace: En lugar de tener estas interfaces donde hay discontinuidad entre un material y otro, la naturaleza hace un gradiente perfecta desde el disco de material blando (más duro)."

Trabajando en colaboración con los investigadores de la Universidad de California en San Diego, el equipo ha estudiado previamente el arapaima, un pez de agua dulce del Amazonas cuyas escamas son tan duros que son impenetrables a la piraña, así como otras especies. Para este estudio se escogió el de la carpa, una versión moderna del pez celacanto antiguo, también conocido por tener escalas que actúan como armadura.

Ahora que se han caracterizado los mecanismos de deformación y de fracaso de las escalas de la carpa, tratando de reproducir estas propiedades en un material de ingeniería es el siguiente reto. Ritchie señaló que los avances en la impresión en 3D podrían proporcionar una manera de producir gradientes de la manera lo hace la naturaleza, y por lo tanto hacer un material que es a la vez duro y dúctil.

"Una vez que tengamos un mejor manejo de la forma de manipular la impresión en 3D, podemos empezar a hacer más materiales en la imagen de la naturaleza", dijo.

La ELA es un Departamento de Energía de la Oficina de Ciencia facilidad de usuario. El estudio fue apoyado por una beca de la Fuerza Aérea Oficina de Investigación Científica.