Los científicos de materiales de la Universidad de Rice están mirando a la naturaleza:los discos de las espinas humanas y la piel de los peces que se zambullen en el océano, por ejemplo, para obtener pistas sobre el diseño de materiales con propiedades aparentemente contradictorias, flexibilidad y rigidez.

En investigaciones que aparecen en línea en la revista. Interfaces de materiales avanzados , estudiante de posgrado Peter Owuor, El científico investigador Chandra Sekhar Tiwary y sus colegas de los laboratorios de Rice, el profesor Pulickel Ajayan y Jun Lou descubrieron que podían aumentar la rigidez, o "módulo elástico, "de un polímero a base de silicio blando infundiéndolo con pequeñas bolsas de galio líquido.

Tales compuestos podrían encontrar uso en materiales de absorción de alta energía y amortiguadores y en estructuras biomiméticas como discos intervertebrales artificiales, ellos dijeron.

Owuor dijo que la sabiduría convencional en el diseño de compuestos durante los últimos 60 años ha sido que agregar una sustancia más dura aumenta el módulo y agregar una más suave disminuye el módulo. En la mayoria de los casos, eso es correcto.

"La gente no lo había mirado al revés, ", dijo." ¿Es posible agregar algo suave dentro de otra cosa que también sea suave y obtener algo que tenga un módulo más alto? Si miras el mundo natural, hay muchos ejemplos en los que se encuentra exactamente eso. Como científicos de materiales, queríamos estudiar esto, no desde una perspectiva biológica sino más bien desde una perspectiva mecánica ".

Por ejemplo, los discos entre las vértebras en la columna vertebral humana, que actúan como amortiguadores y ligamentos, están hechos de una capa exterior resistente de cartílago y un suave, interior gelatinoso. Y la piel exterior de los peces y mamíferos que se sumergen profundamente en el océano contiene una miríada de diminutas cámaras llenas de aceite, algunas no más grandes que un virus y otras más grandes que células enteras, que permiten a los animales resistir las intensas presiones que existen a miles de pies por debajo de la superficie del océano. superficie.

Elegir los materiales básicos para modelar estos sistemas vivos fue relativamente fácil, pero encontrar una manera de unirlos para imitar la naturaleza resultó difícil, dijo Tiwary, investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de Rice.

Polidimetilsiloxano, o PDMS, fue elegida como la capa de encapsulación suave por varias razones:es barata, inerte, no tóxico y ampliamente utilizado en todo, desde masilla y selladores para acuarios hasta cosméticos y aditivos alimentarios. También se seca claro, lo que facilitó ver las burbujas de líquido que el equipo quería encapsular. Para eso, los investigadores eligieron galio, que como el mercurio es líquido a temperatura ambiente, pero, a diferencia del mercurio, no es tóxico y es relativamente fácil trabajar con él.

Owuor dijo que tomó casi cuatro meses encontrar una receta para encapsular burbujas de galio dentro del PDMS. Sus muestras de prueba tienen aproximadamente el diámetro de una moneda pequeña y un grosor de hasta un cuarto de pulgada. Al curar el PDMS lentamente, Owuor desarrolló un proceso mediante el cual podía agregar gotas de galio de varios tamaños. Algunas muestras contenían una gran cámara interior, y otros contenían hasta una docena de gotas discretas.

Cada muestra fue sometida a decenas de pruebas. Se utilizó un instrumento de análisis mecánico dinámico para medir cuánto se deformaba el material bajo carga, y varias medidas como rigidez, la tenacidad y la elasticidad se midieron en una variedad de condiciones. Por ejemplo, con una cantidad relativamente pequeña de enfriamiento, el galio se puede convertir en un sólido. Así que el equipo pudo comparar algunas medidas tomadas cuando las esferas de galio eran líquidas con medidas tomadas cuando las esferas eran sólidas.

Los colaboradores Roy Mahapatra y Shashishekarayya Hiremath del Instituto Indio de Ciencia en Bangalore utilizaron modelos de elementos finitos y simulaciones hidrodinámicas para ayudar al equipo a analizar cómo se comportaban los materiales bajo tensión mecánica. Basado en esto, los investigadores determinaron que las bolsas de galio líquido le daban al compuesto características de absorción y disipación de energía más altas que el PDMS simple o el PDMS con bolsas llenas de aire.

"Lo que hemos demostrado es que poner líquido dentro de un sólido no siempre lo suavizará, y gracias a nuestros colaboradores podemos explicar por qué es así, ", Dijo Tiwary." A continuación, esperamos utilizar este conocimiento para tratar de diseñar materiales que aprovechen estas propiedades ".

Owuor y Tiwary dijeron que el solo uso de la nanoingeniería por sí sola puede no proporcionar un efecto máximo. En lugar de, la naturaleza emplea estructuras jerárquicas con características de diferentes tamaños que se repiten a escalas mayores, como los que se encuentran en las cámaras llenas de aceite en la piel de pescado.

"Si miras la membrana (del pez) y la seccionas, hay una capa donde tienes esferas de grandes diámetros, y mientras te mueves, los diámetros siguen disminuyendo, "Dijo Owuor." Las cámaras se ven en toda la escala, desde el nano- todo el camino hasta la microescala.

Tiwary dijo:"Hay importantes características a nanoescala en la naturaleza, pero no todo es nano. Podemos encontrar que la ingeniería a nanoescala por sí sola no es suficiente. Queremos ver si podemos empezar a diseñar de forma jerárquica ".