Los materiales súper resistentes que se encuentran en el reino animal deben su fuerza y ​​dureza a una estrategia de diseño que hace que las grietas sigan el patrón de torsión de las fibras. Previniendo fallas catastróficas.

Los investigadores en una serie reciente de artículos han documentado este comportamiento con gran detalle y también están creando nuevos materiales compuestos siguiendo el modelo del fenómeno. El trabajo fue realizado por un equipo de investigadores de la Universidad de Purdue en colaboración con la Universidad de California, Orilla.

Los investigadores estudiaron la fuerza sobrenatural de un material compuesto en una criatura marina llamada camarón mantis. que utiliza un apéndice resistente a los impactos para golpear a su presa hasta someterla.

"Sin embargo, estamos viendo este mismo tipo de estrategia de diseño no solo en el camarón mantis, pero también en muchos animales, "dijo Pablo Zavattieri, profesor de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue. "Los escarabajos lo usan en sus caparazones, por ejemplo, y también lo estamos viendo en escamas de pescado, langostas y cangrejos ".

Lo que hace que el camarón mantis se destaque es que en realidad puede aplastar y derrotar a sus presas blindadas (principalmente moluscos y otros cangrejos), que también son conocidos por su tolerancia al daño y excelentes propiedades mecánicas. El camarón mantis los conquista con su "maza dactyl, "un apéndice que desata un aluvión de feroces impactos con la velocidad de una bala calibre 22.

Los nuevos hallazgos muestran que el material compuesto del palo en realidad se vuelve más duro cuando una grieta intenta torcerse. en efecto, deteniendo su progreso. Esta torsión de grietas está guiada por las fibras de quitina del material, la misma sustancia que se encuentra en muchas conchas de crustáceos marinos y exoesqueletos de insectos, dispuestos en una arquitectura helicoidal que se asemeja a una escalera de caracol.

"Este mecanismo nunca se ha estudiado en detalle antes, ", Dijo Zavattieri." Lo que estamos encontrando es que a medida que una grieta se retuerce, la fuerza impulsora para crecer la grieta disminuye progresivamente, promover la formación de otros mecanismos similares, que evitan que el material se desmorone catastróficamente. Creo que finalmente podemos explicar por qué el material es tan resistente ".

Se publicaron dos artículos en el Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials y el International Journal of Solids and Structures. Los artículos fueron coautores del estudiante de doctorado de Purdue, Nobphadon Suksangpanya; El estudiante de doctorado de UC Riverside, Nicholas A. Yaraghi; David Kisailus, un profesor de UC Riverside de ingeniería química y ambiental y ciencia e ingeniería de materiales; y Zavattieri.

"Este nuevo y emocionante análisis, trabajo computacional y experimental, que da seguimiento a nuestra caracterización biocompuesta inicial del helicoide dentro del club de camarones mantis y el trabajo compuesto biomimético, realmente proporciona una visión más profunda de los mecanismos de endurecimiento dentro de esta estructura única, "Dijo Kisailus.

"La novedad de este trabajo es que, en el lado de la teoría, desarrollamos un nuevo modelo, y en el lado experimental usamos materiales establecidos para crear compuestos que validan esta teoría, ", Dijo Zavattieri.

Investigaciones anteriores han demostrado que esta arquitectura helicoidal está naturalmente diseñada para sobrevivir a los repetidos golpes de alta velocidad, revelando que las fibras también están dispuestas en forma de espiga en la capa exterior del apéndice.

En la nueva investigación, El equipo ha aprendido específicamente por qué este patrón imparte tanta dureza:a medida que se forman las grietas, siguen el patrón de torsión en lugar de extenderse directamente a través de la estructura, haciendo que falle. Las imágenes tomadas con un microscopio electrónico en UC Riverside muestran que en lugar de que una sola grieta continúe propagándose, Se forman numerosas grietas más pequeñas, que disipan la energía absorbida por el material en el momento del impacto.

Los investigadores crearon y probaron compuestos impresos en 3D modelados a partir del fenómeno, capturando el comportamiento de la fisura con cámaras y técnicas de correlación de imágenes digitales para estudiar la deformación del material.

Byron Pipes, Profesor distinguido de ingeniería John L. Bray de Purdue, ayudó a Suksangpanya a fabricar compuestos reforzados con fibra de vidrio que incorporan este fenómeno.

"Estamos estableciendo nuevos mecanismos que antes no estaban disponibles para los composites, "

Dijo Zavattieri. "Tradicionalmente, cuando producimos compuestos, juntamos fibras de formas que no son óptimas, y la naturaleza nos está enseñando cómo debemos hacerlo ".

Los hallazgos ahora están ayudando al desarrollo de encendedores, Materiales más fuertes y resistentes para muchas aplicaciones, incluida la aeroespacial, automoción y deportes.