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updated 11:36 AM CET, Feb 21, 2018

Las esponjas marinas se sujetan con anclas que se doblan pero no se rompen

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esponja cesta flor de Venus

Las espículas de la cesta de flores de Venus se doblan hasta un 140% más que otras esponjas

Esponjas marinas, conocidas como cesta de flores de Venus (que también recibe nombres más poéticos como “esponja de cristal”, si bien mi favorito es “regadera de Filipinas”), permanecen fijas al fondo marino con nada más que una serie de delgadas anclas como el cabello hechas esencialmente de vidrio. Es un trabajo importante, y una nueva investigación sugiere que es la arquitectura interna de esas anclas, conocidas como espículas basalia, la que les ayuda a hacerlo.

Las espículas, cada una de aproximadamente la mitad del diámetro de un cabello humano, están hechas de un núcleo central de sílice (vidrio) revestido por 25 delgados cilindros de sílice. Visto en sección, el arreglo se parece a los anillos en un tronco de árbol. El nuevo estudio realizado por investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown muestra que, en comparación con las espículas tomadas de una especie de esponja diferente que carece de la arquitectura de los anillos de los árboles, las espículas basalia pueden doblarse hasta 2,4 veces más antes de romperse.

espículas de la esponja cesta flor de Venus

"Comparamos dos materiales naturales con composiciones químicas muy similares, una de los cuales tiene esta intrincada arquitectura mientras que el otro no", dijo Michael Monn, estudiante de postgrado de la Universidad Brown y primer autor de la investigación. "Mientras que en el pasado se han medido las propiedades mecánicas de las espículas, este es el primer estudio que aísla el efecto de la arquitectura sobre las propiedades de las espículas y cuantifica cómo mejora la arquitectura la capacidad de las espículas de doblarse más antes de romperse".

Esa flexibilidad probablemente permite que las espículas se anclen en el lodo del fondo marino, ayudando a asegurar la fijación segura de la esponja. Una mejor comprensión de cómo funciona esta arquitectura de espícula interna podría ser útil en el desarrollo de nuevos materiales hechos por el hombre, dicen los investigadores.

Cuando el coautor del estudio, Haneesh Kesari, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown, vio por primera vez la arquitectura interna de las espículas basalia, inmediatamente se sintió intrigado por la consistencia y regularidad del patrón. "Parecía una figura de un libro de matemáticas", dijo.

estructura interna de la esponja cesta flor de Venus

Desde entonces, Kesari ha estado trabajando para entender el significado de la arquitectura. En 2015, Kesari, Monn y varios colegas publicaron un análisis que muestra que la disposición de las capas concéntricas de las espículas - que gradualmente disminuyen en espesor desde el centro hacia el exterior - es matemáticamente óptimo para maximizar la fuerza de las espículas.

Este último estudio es una prueba más directa de una propiedad que los investigadores creen que es importante para las anclas de las espículas: la deformación por flexión, que es la medida en que algo puede doblarse sin romperse.

"Intuitivamente, tiene sentido que las espículas serían mejores anclas si pudieran girar su camino a través del cieno", dijo Monn. "Esto haría mucho más difícil sacarlas que si fueran rectas. La propiedad mecánica que más se asocia con esa funcionalidad deseable sería la flexión por flexión".

Para el estudio, los investigadores utilizaron un aparato que diseñaron específicamente para comprobar hasta qué punto pueden doblarse las espículas. Las espículas se colocan a través de una etapa con una abertura en el centro. Una pequeña cuña es bajada entonces sobre la espícula, que la dobla abajo en el boquete. Una cámara en el lateral del dispositivo toma fotos, proporcionando mediciones precisas de hasta qué punto se doblan las espículas antes de que se rompan.

esponja naranja de marMoon y Kesari usaron el dispositivo para probar tanto las espículas basalia de las cestas de flores de Venus (Euplectella aspergillum) como las espículas de una especie diferente - la esponja naranja de mar (Tethya aurantium). Los dos conjuntos de espículas tienen aproximadamente los mismos diámetros y una composición de sílice esencialmente idéntica. Pero las espículas de la naranja de mar carecen de la arquitectura interna de las cestas de flores de Venus. Así que cualquier diferencia en la tensión de flexión entre las dos podría atribuirse a la arquitectura.

Los experimentos mostraron que las espícula de la cesta de la flor de Venus podrían doblar el 140 por ciento más que las espículas de al naranja marina.

"La medida en que las espículas podían doblarse era bastante sorprendente, ya que son esencialmente de vidrio", dijo Monn. Los ingenieros utilizan a menudo un modelo llamado teoría de vigas de Euler-Bernoulli para calcular cuánto se doblará una viga bajo una carga, pero que sólo se aplica cuando la magnitud de la flexión es muy pequeña. Las espículas demostraron ser capaces de doblarse demasiado para que se acomodara la teoría.

"Lo que dice es que las teorías clásicas que usamos para analizar pruebas mecánicas de materiales de ingeniería pueden no ser exactas cuando se trata de materiales biológicos", dijo Monn. "Así que necesitamos también cambiar nuestro enfoque de análisis y no sólo copiar y pegar lo que hemos estado usando para materiales de ingeniería".

Monn espera que estudios como éste proporcionen los datos necesarios para diseñar modelos apropiados para explicar las propiedades de estas estructuras naturales y, finalmente, hacer uso de esas estructuras para los nuevos materiales hechos por el hombre.

La investigación se publica en el Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials: Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture

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