Los garrotes de dáctilo del camarón mantis podrían guardar secretos para superficies más resistentes para uso humano
Investigadores de ciencia de materiales de la Universidad de California, Irvine están aprendiendo sobre la resiliencia del camarón mantis (género Stomatopoda). Los antiguos crustáceos están armados con dos apéndices raptoriales en forma de martillo llamados garrotes dáctilos que utilizan para aporrear y aplastar a sus presas. Estos puños, capaces de acelerarse desde el cuerpo a más de 80 km/h, dan poderosos golpes y no parecen dañados después.
Los investigadores de la UCI descubrieron que los garrotes tienen un recubrimiento de nanopartículas de diseño exclusivo que absorbe y disipa la energía. Los hallazgos, publicados hoy en Nature Materials, tienen significativas implicaciones para los materiales de ingeniería en las industrias automotriz, aeroespacial y deportiva.
"Piense en golpear una pared un par de miles de veces a esas velocidades y no romperse el puño", dijo David Kisailus, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UCI, que ha estado estudiando el camarón mantis durante más de una década. "Eso es bastante impresionante y nos hizo pensar en cómo podría ser".
Él y el erudito postdoctoral Wei Huang utilizaron microscopía de fuerza atómica y electrónica de transmisión para examinar la arquitectura a nanoescala y los componentes materiales de la capa superficial de los garrotes. Determinaron que las nanopartículas son esferas bicontinuas, hechas de nanocristales orgánicos (proteína y polisacárido) e inorgánicos (fosfato de calcio) entrelazados.
Los nanocristales inorgánicos 3-D son mescristalinos, esencialmente apilados como piezas de Lego, con pequeñas diferencias de orientación donde se unen. Las interfaces cristalinas son cruciales para la resiliencia de la capa superficial, porque se fracturan y rompen durante el impacto a alta velocidad, lo que reduce la profundidad de penetración a la mitad.
"El TEM de alta resolución realmente nos ayudó a comprender estas partículas, cómo están diseñadas y cómo reaccionan bajo diferentes tipos de estrés", dijo Kisailus. "A velocidades de deformación relativamente bajas, las partículas se deforman casi como un malvavisco y se recuperan cuando se alivia la tensión".
Señaló que el comportamiento de las estructuras bajo un impacto de alta tensión es muy diferente. "Las partículas se endurecen y se fracturan en las interfaces nanocristalinas", dijo Kisailus. "Cuando rompes algo, estás abriendo nuevas superficies que disipan cantidades significativas de energía".
El equipo, que incluía a investigadores de la Universidad de Purdue, Oxford Instruments y Bruker Corp., también pudo medir y caracterizar las impresionantes capacidades de amortiguación del recubrimiento.
"Los materiales rígidos inorgánicos y orgánicos blandos en una red interpenetrante confieren impresionantes propiedades de amortiguación al recubrimiento sin comprometer la rigidez. Es una combinación poco común que supera a la mayoría de los metales y las técnicas cerámicas", dijo Kisailus.
Añadió que ahora se centra en traducir estos hallazgos a nuevas aplicaciones en una variedad de campos: "Podemos imaginar formas de diseñar partículas similares para agregar superficies protectoras mejoradas para su uso en automóviles, aviones, cascos de fútbol y chalecos antibalas".
Artículo científico: A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating
