Camarón mantis inspira la próxima generación de materiales ultra fuertes

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camarón mantis

Su apéndice similar a un puño llamado dactilopodito es extremadamente duro

La próxima generación de aviones, chalecos antibalas y cascos de fútbol saldrá, literalmente, de debajo de una roca.

Investigadores de la Universidad de California, Riverside, y la Universidad de Purdue están un paso más cerca de desarrollar materiales compuestos extra fuertes, gracias al camarón mantis, un pequeño crustáceo marino multicolor que aplasta las conchas de sus presas mediante un apéndice similar a un puño llamado dactilopodito.

Su investigación más reciente, que ha sido publicada en la revista Advanced Materials, describe por primera vez una estructura de espiga única, que no se informó anteriormente en la naturaleza, dentro de la capa externa del dactilopodito. Esta resistente estructura en espiga no sólo protege el dactilopodito durante el impacto, sino que también permite que el camarón mantis inflija un increíble daño a su presa.

Los camarón mantis, también llamados estomatópodos, vienen en dos variedades: 'smashers' y 'spearers (colisionador)'. Mientras que los spearers matan a su presa introduciendo el dactilopodito en animales marinos de cuerpo blando, los smashers matan a presas de cáscara dura, como cangrejos y caracoles, por pulverización con increíble velocidad y fuerza. El dactilopodito puede alcanzar una aceleración de 10.000 g, desatando una andanada de impactos con la velocidad de una bala calibre 22.

Durante los últimos ocho años, David Kisailus, profesor en Innovación Energética en el Bourns College of Engineering de la UCR, y su equipo, han estado estudiando los dactilopoditos de los smashers y los utilizaron como inspiración en su desarrollo de materiales compuestos de última generación. Su investigación que ya se está traduciendo en productos del mundo real por Nature Inspired Industries, una reciente startup dirigida por Kisailus que se salió de la Oficina de Investigación y Desarrollo Económico de la Universidad de California en Riverside.

En trabajos anteriores, incluyendo un estudio de 2012 publicado en la revista Science, los investigadores identificaron varias regiones diferentes del dactilopodito, incluyendo una región interior - llamada la región periódica - con una estructura absorbente de energía que también filtra las ondas de corte perjudiciales que viajan a través de los objetos cuando están bajo estrés. Esta absorción de energía por la "región periódica" se compone de dos fases: una fase orgánica hecha de quitina - un compuesto encontrado en las conchas de los insectos y crustáceos - dispuesta en una estructura helicoidal que se asemeja a una escalera de caracol, y una fase inorgánica que comprende fosfato de calcio amorfo y carbonato de calcio.

La investigación actual, financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea bajo una iniciativa de $ 7,5M para la Multi-University Research Initiative que conduce Kisailus, describe por primera vez una estructura de espiga única dentro de la capa externa del dactilopodito, llama la región de impacto.

La región de impacto es una resistente capa agrietada que protege al dactilopodito cuando el camarón mantis golpea su presa. Sin embargo, a diferencia de la región periódica, la región de impacto consiste en fosfato de calcio cristalino (el mismo mineral que se encuentra en la médula humana) que rodea las fibras de quitina orgánicas. Los investigadores encontraron que estas fibras fuertemente mineralizadas se compactan para formar una "estructura de espiga" que es significativamente más rígida que la estructura en la región periódica. La estructura de espiga compactada altamente ordenada es una disposición sinusoidal graduada de fibras de quitina helicoidales mineralizadas con mucha textura de fosfato de calcio .

Esta estructura única en espiga no sólo protege el dactilopodito, sino que también permite que el camarón mantis pueda infligir un daño increíble a su presa mediante la transferencia de un mayor impulso en caso de choque.

Aunque aún no se ha confirmado el mecanismo de la formación de la estructura en espiga, Kisailus especula que la diferencia de tensiones durante la formación del material cristalino en la región de impacto causa que una disposición helicoidal de hebilla, que puede ser vista bajo alta microscopía electrónica como un patrón de espiga.

estructura en espiga del dactilopodito del camarón mantisAñadiendo una capa adicional de complejidad, la capa más externa de la región de impacto es diferente otra vez, ofreciendo una capa fina, como partículas, alrededor de la superficie del dactilopodito que actúa para deslocalizar el estrés que podría inducir a un fallo catastrófico dentro del apéndice.

Nicholas Yaraghi, un estudiante graduado en el grupo de Kisailus que dirigió la investigación actual, dijo que esta es la primera vez que se ha observado en la naturaleza la estructura de espiga única.

"Sabíamos por estudios anteriores que la región de impacto permite que el camarón mantis transfiera un impulso increíble a su presa mientras que resiste la fractura, pero fue emocionante revelar a través de nuestra investigación que las propiedades de este material altamente resistente a los impactos son creados por la estructura de espiga única", dijo.

Con el fin de confirmar sus hipótesis, Kisailus y su grupo de investigación se asoció con Pablo Zavattieri, Profesor Asociado de Ingeniería Civil y University Faculty Scholar de la Universidad de Purdue, y su equipo, para llevar a cabo análisis de elementos finitos para comprender el papel de estas estructuras. Los investigadores también fabrican la estructura de espiga utilizando materiales sintéticos y una impresora 3D.

Zavattieri y su alumno Nicolás Guarín-Zapata construyeron modelos computacionales en que se replican los datos locales de la estructura de espiga. Estos modelos explican que el estrés puede dañar se distribuye de manera más uniforme, mitigando el fallo estructural catastrófico. Ensayos de compresión del material compuesto de impresión biomimético 3D también ayudaron a demostrar que la estructura de espiga hace que la región de impacto sea aún más eficaz que la región periódica en la redistribución de la tensión y de desviación de grietas.

"Si bien los resultados de los modelos computacionales nos dieron confirmación convincente de la redistribución de esfuerzos en estas estructuras, el momento "wow" llegó cuando probamos nuestras muestras de impresión 3D", dijo Guarín-Zapata.

Kisailus dijo que el descubrimiento de la estructura de espiga altamente resistente a los impactos añade una nueva inspiración para que su equipo diseñe la próxima generación de materiales para una variedad de aplicaciones, incluyendo el sector aeroespacial, de automoción y armaduras.

prototipo de casco inspirado en el dactilopodito del camarón mantis"El camarón mantis colisionador ha evolucionado este dactilopodito excepcionalmente fuerte y resistente a los impactos para un propósito primordial: ser capaz de comer. Sin embargo, cuanto más aprendemos acerca de esta pequeña criatura y sus varias capas diseños estructurales, más nos damos cuenta de lo mucho que nos puede ayudar a diseñar mejores aviones, automóviles, equipos deportivos y de armadura", dijo Kisailus.

Kisailus dijo que los recientes avances en las técnicas de impresión y modelado en 3D están haciendo más fácil que nunca traducir las armas de los camarones mantis en nuevos materiales.

"Mediante el uso de técnicas de impresión en 3D, como las utilizadas por el equipo de Zavattieri, en realidad podemos tomar lo que hemos aprendido acerca de la arquitectura del dactilopodito para la producción de nuevos materiales compuestos con materiales de ingeniería tradicionales como polímeros y fibra de carbono", dijo Kisailus. De hecho, dice que su equipo ya está fabricando la segunda generación de materiales compuestos que incorpora no sólo el componente de absorción de energía, sino también la capa externa rígida inspirada en el mantis. Y han demostrado esto mediante la producción de un casco con este duro recubrimiento (ver más arriba).

Artículo científico: A Sinusoidally Architected Helicoidal Biocomposite

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