Fora das escalas: ambos os seres humanos resistentes e flexíveis

Os pesquisadores poderoso raio-X utilizado vigas na fonte luminosa avançada do laboratório de Berkeley (ALS) para ver como as fibras em escalas carpa reagir como o stress é aplicado. Como eles escreveram em seu estudo, publicado recentemente na revista Matéria, o que eles encontraram "pode ​​muito bem fornecer mais inspiração para o design de materiais estruturais sintéticos avançados com tenacidade sem precedentes e resistência à penetração."

"A estrutura de materiais biológicos é absolutamente fascinante", disse o principal autor Robert Ritchie, da Divisão de Ciências dos Materiais de Berkeley Lab, que liderou este trabalho com Marc Meyers, professor de nanoengineering e engenharia mecânica na UC San Diego. "Nós gostamos de imitar essas propriedades em materiais de engenharia, mas o primeiro passo é ver como a natureza faz isso."

escamas de peixe tem um invólucro exterior rígido com uma camada interna mais macia que é resistente e dúctil. Quando algo como os dentes de um predador tentar afundar no escalas, a casca exterior resiste a penetração, mas o interior tem de absorver todo o excesso de carga para manter a escala em uma única peça. Como ele faz isso? Verifica-se que as fibras na escala, que é composta por colagénio, mais minerais, estão numa orientação torcida, chamado de uma estrutura Bouligand. Quando é aplicada pressão ao material, as fibras de rodar em sequência, a fim de absorver o excesso de carga.

"É chamado de reorientação adaptativa. É como um material inteligente", disse Ritchie, que também é professor de ciência dos materiais e engenharia na Universidade de Berkeley. "Usando uma técnica chamada pequeno ângulo de espalhamento de raios-X, podemos seguir que em tempo real usando o síncrotron. Nós irradiar-lo com raios-X, e nós podemos realmente ver as fibras de rotação e movimento."

O colágeno que compõe a pele humana, por outro lado, é "toda desarrumada como uma tigela de espaguete, mas pode desvendar e alinhar para absorver a energia, o que torna a pele incrivelmente resistentes ao rasgo", disse Ritchie. A estrutura Bouligand na escala carpa é muito mais organizados, mas ainda faz por um mecanismo de endurecimento muito eficaz.

A outra característica notável de uma escala carpa é o gradiente entre as camadas duras e macias. "Se estivéssemos fazendo isso como armadura, teríamos uma interface entre o material duro e macio. A interface é invariavelmente um local onde rachaduras e falhas começar", disse Ritchie, um especialista em como os materiais falhar. "A forma como a natureza faz isso: Em vez de ter essas interfaces onde há descontinuidade entre um material e outro, a natureza faz um gradiente perfeito a partir do disco para o material macio (mais dura)."

Trabalhando em colaboração com os pesquisadores da UC San Diego, a equipe já havia estudado o pirarucu, um peixe de água doce da Amazônia cujas escamas são tão difícil que eles são impenetráveis ​​para piranha, bem como outras espécies. Para este estudo que escolheram a carpa, uma versão moderna do antigo peixe celacanto, também conhecido por ter escalas que atuam como armadura.

Agora que os mecanismos de deformação e falha de escamas de carpa foram identificados, tentando reproduzir essas propriedades em um material de engenharia é o próximo desafio. Ritchie observou que os avanços na impressão em 3D pode fornecer uma maneira de produzir gradientes da maneira natureza faz e, portanto, produzir um material que é ao mesmo tempo duro e dúctil.

"Uma vez que temos um melhor controle sobre como manipular a impressão 3D, podemos começar a fazer mais materiais na imagem da natureza", disse ele.

A ELA é uma Departamento de Energia Instituto de instalação de usuário Science. O estudo foi apoiado por uma bolsa da Força Aérea Instituto de Investigação Científica.