Las esponjas marinas conocidas como cestas de flores de Venus permanecen fijadas al fondo del mar con nada más que una serie de delgadas, Anclas con forma de pelo hechas esencialmente de vidrio. Es un trabajo importante y una nueva investigación sugiere que es la arquitectura interna de esos anclajes, conocidas como espículas basales, eso les ayuda a hacerlo.

Las espículas, cada uno tiene aproximadamente la mitad del diámetro de un cabello humano, están hechos de un núcleo central de sílice (vidrio) revestido dentro de 25 cilindros delgados de sílice. Visto en sección transversal, el arreglo se parece a los anillos en el tronco de un 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 anillo de árbol, las espículas basales pueden doblarse hasta 2,4 veces más antes de romperse.

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

Esa capacidad de flexión probablemente permite que las espículas se entrelacen en el limo del lecho marino, ayudando a asegurar la fijación segura de la esponja. Una mejor comprensión de cómo funciona esta arquitectura de espículas internas podría ser útil para desarrollar nuevos materiales hechos por humanos, dicen los investigadores.

La investigación se publica en el Revista del comportamiento mecánico de los materiales biomédicos .

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

Desde entonces, Kesari ha estado trabajando para comprender 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 disminuyen gradualmente en grosor desde el centro hacia el exterior, es matemáticamente óptima 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 los anclajes de espículas:deformación por rotura por flexión, que es la medida en que algo puede doblarse sin romperse.

"Intuitivamente, tiene sentido que las espículas serían mejores anclas si pudieran abrirse camino a través del limo ", Dijo Monn. "Los haría mucho más difíciles de extraer que si estuvieran rectos. La propiedad mecánica que está más asociada con esa funcionalidad deseable sería la deformación por falla de flexión".

Para el estudio, los investigadores utilizaron un aparato que diseñaron específicamente para probar hasta dónde se pueden doblar las espículas. Las espículas se colocan en un escenario con un espacio en el medio. Luego se baja una pequeña cuña sobre la espícula, que lo dobla hacia abajo en el hueco. Una cámara en el lateral del dispositivo toma fotografías, proporcionando mediciones precisas de cuánto se doblan las espículas antes de romperse.

Monn y Kesari usaron el dispositivo para probar tanto las espículas de basalia de las cestas de flores de Venus como las espículas de una especie diferente:la esponja de bejín naranja. Los dos conjuntos de espículas tienen aproximadamente los mismos diámetros y una composición de sílice esencialmente idéntica. Pero las espículas de puffball carecen de la arquitectura interna de las cestas de flores. Entonces, cualquier diferencia en la tensión de flexión entre los dos podría atribuirse a la arquitectura.

Los experimentos demostraron que las espículas de la canasta de flores podían doblarse un 140 por ciento más que las espículas de bejín.

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

"Lo que eso dice es que las teorías clásicas que usamos para analizar las pruebas mecánicas de materiales de ingeniería pueden no ser precisas cuando se trata de materiales biológicos, ", Dijo Monn." Por lo tanto, también debemos cambiar nuestro enfoque de análisis y no solo copiar y pegar lo que hemos estado usando para materiales de ingeniería ".

Monn espera que estudios como este proporcionen los datos necesarios para diseñar modelos adecuados para explicar las propiedades de estas estructuras naturales. y eventualmente hacer uso de esas estructuras para nuevos materiales hechos por humanos.