Imita el exoesqueleto del camarón mantis para una mejor protección
Algunos de los inventos más innovadores y útiles se han inspirado en la naturaleza. Un ejemplo es el tren bala Shinkansen en Japón, cuyo diseño aerodinámico está inspirado en el martín pescador. O el velcro, que un ingeniero suizo inventó después de observar que las rebabas que se adhieren al pelaje de un perro tienen pequeños ganchos en ellas.
Ahora, los científicos han recurrido a un pequeño depredador submarino en busca de inspiración. El camarón mantis es un colorido invertebrado de gran potencia. Puede romper conchas de almejas con la fuerza de una bala de calibre .22, gracias a sus estructuras únicas que dotan a su exoesqueleto de una sorprendente resistencia.
Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han creado versiones sintéticas de estas estructuras y han probado su rendimiento ante impactos disparándoles microproyectiles. Descubrieron que ajustar parámetros específicos de las estructuras cambiaba la forma en que absorbían y disipaban la energía del impacto.
"Los resultados y conocimientos de esta investigación marcan un importante avance en el diseño de materiales bioinspirados con aplicaciones en la industria aeroespacial, por ejemplo, para ayudar a las naves espaciales a sobrevivir al impacto de micrometeoroides y proteger a los satélites en órbita que colisionan con escombros", afirmó Edwin Chan, ingeniero de investigación de materiales del NIST.
Otras posibles aplicaciones incluyen un mejor cristal antibalas, materiales de construcción resistentes a explosiones y cascos más protectores.
Esta idea de investigación surgió de Sujin Lee, quien llegó al NIST como becario postdoctoral del Consejo Nacional de Investigación (NRC). Lee quería comprender por qué el apéndice del camarón mantis no se rompía al destrozar los caparazones de otras criaturas. Chan también se sintió intrigado por este concepto, y para averiguarlo ambos desarrollaron un proyecto de investigación.
Imagen: Ciertas criaturas poseen microestructuras únicas en sus exoesqueletos que les permiten resistir fuertes impactos de forma continua. Estas estructuras de Bouligand se encuentran en el camarón mantis, el cangrejo azul, el escarabajo glorioso y muchos más (mostrado aquí).
"Cuando alguien golpea a alguien, le duele la mano, pero con un camarón mantis, no", dijo Chan. O al menos no lo parece. Lee y Chan ya sabían que esto estaba relacionado con las microscópicas "estructuras Bouligand" del exoesqueleto del camarón.
"Las estructuras Bouligand son una plataforma material universal para la resistencia al impacto en la naturaleza, y queríamos aprender más sobre ellas, así que las produjimos y probamos en el laboratorio", dijo Chan.
Lee y Chan sintetizaron las estructuras a partir de nanocristales de celulosa, presentes en fibras vegetales. Los nanocristales se autoensamblaron formando placas superpuestas como pilas de madera contrachapada giratorias.
Estas pilas formaron sus estructuras sintéticas de Bouligand. Los investigadores modificaron los cristales mediante ondas sonoras de alta frecuencia antes de ensamblarlos en delgadas películas que sirvieron como material de prueba.
A continuación, probaron la resistencia al impacto de las delgadas películas disparando microproyectiles a velocidades de hasta 600 metros por segundo. Los microproyectiles, hechos de sílice, fueron impulsados hacia su objetivo mediante un láser de alta intensidad. Los investigadores registraron imágenes del impacto de los microproyectiles en las delgadas películas con una cámara ultrarrápida.
Vídeo: Investigadores del NIST probaron la resistencia al impacto de versiones sintéticas de estructuras presentes en el exoesqueleto del camarón mantis. Utilizaron láseres de alta intensidad para disparar microproyectiles de sílice contra delgadas películas de estas estructuras sintéticas. Crédito: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
Basándose en esas imágenes, los investigadores observaron que un microproyectil puede dejar una huella permanente y, al mismo tiempo, rebotar como una pelota de tenis al impactar contra el suelo. El grado de huella y la magnitud del rebote dependían de cómo se disipaba o se dispersaba la energía en ondas de choque tras el impacto del microproyectil.
Los investigadores descubrieron que podían ajustar la forma en que se disipaba la energía modificando diversos factores que afectaban las propiedades mecánicas de la muestra, como hacer los nanocristales más gruesos o cambiar su densidad. Descubrieron que los microproyectiles dejaban hendiduras permanentes en las películas más delgadas, pero las películas más gruesas eran mejores para redirigir las ondas de choque del impacto.
El NIST colaboró en este proyecto como parte de su misión de desarrollar métodos de medición avanzados que puedan ser útiles para la industria estadounidense. Los investigadores pueden utilizar los métodos de medición desarrollados para este proyecto para seguir desarrollando materiales resistentes al impacto basados en estructuras de Bouligand, así como otros tipos de materiales avanzados con propiedades especiales.
"Estos hallazgos sugieren que existen diferentes maneras de diseñar materiales que absorban el impacto, y podemos usar este conocimiento para crear materiales más resistentes y duraderos", afirmó Chan. "Si eres un boxeador en el ring, quieres pelear nueve asaltos, no solo uno".
Chan y sus colegas publicaron sus hallazgos en Proceedings of the National Academy of Sciences: Controlling impact mitigation via Bouligand nanostructures
