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    El nuevo tipo de vidrio inspirado en la naturaleza es más resistente a los impactos

    La microarquitectura de nácar y tableta deslizante en nácar. Crédito:Z. Yin, F. Hannard, F. Barthelat

    Usando el nácar iridiscente que se encuentra a menudo en las conchas marinas, Los investigadores han diseñado un nuevo vidrio compuesto con una gran resistencia a los impactos.

    La transparencia y durabilidad del vidrio lo convierten en el material de elección en innumerables aplicaciones. Pero si se usa "en un automóvil, un edificio o un teléfono inteligente, Los componentes de vidrio son siempre los eslabones más débiles y frágiles de todo el sistema. "dijo Francois Barthelat, un ingeniero mecánico de la Universidad McGill en Montreal que ideó el nuevo vidrio con sus colegas. Bajo estrés, la naturaleza inherentemente frágil del vidrio significa que los defectos preexistentes en su interior pueden extenderse, desencadenando una falla catastrófica repentina.

    Las estrategias para hacer que el vidrio sea más resistente a los impactos incluyen laminación, que une dos o más placas de vidrio con capas delgadas de resina u otros polímeros en el medio, y templado, que endurece el vidrio mediante el recalentamiento y el enfriamiento rápido. Sin embargo, Barthelat y sus colegas creen que pueden hacerlo mejor si buscan inspiración en la naturaleza.

    Durante los últimos 15 años, se han centrado en la estructura y la mecánica del nácar, un material opalescente resistente a los impactos, también conocido como nácar, que ayuda a proteger los cuerpos blandos de los moluscos de las fuertes mandíbulas de los depredadores. "Los animales toman ingredientes relativamente débiles, un mineral quebradizo, proteínas blandas, y convertirlas en una armadura dura pero extremadamente resistente, "Dijo Barthelat.

    • La fabricación y configuración de paneles de vidrio tipo nácar. Crédito:Z. Yin, F. Hannard, F. Barthelat

    • Reconstrucción micro-CT de paneles tipo nácar y la mesa deslizante entre las dos capas inferiores. Crédito:Z. Yin, F. Hannard, F. Barthelat

    • La microtopmografía muestra la tableta deslizándose en paneles de nácar. Crédito:Z. Yin, F. Hannard, F. Barthelat

    La clave de la dureza del nácar radica en cómo el material se construye como una pared de ladrillos, compuesto por capas apiladas de tabletas minerales microscópicas planas unidas por proteínas. Estos frágiles ladrillos de carbonato de calcio pueden deslizarse unos sobre otros cuando están bajo tensión, ayudando al nácar a absorber los impactos.

    Para imitar el nácar, Los investigadores utilizaron un rayo láser ultravioleta pulsado para grabar patrones cuadrados o hexagonales en láminas de vidrio de borosilicato regulares de 220 micrones de espesor. o aproximadamente el doble del ancho promedio de un cabello humano. A continuación, estas placas grabadas se laminaron con finas capas de plástico cada una de 125 micrones de espesor. Durante este proceso, las hojas de vidrio se separan en baldosas individuales, cada uno de aproximadamente 1 a 4 milímetros de ancho.

    "Aunque las propiedades estructurales del nácar se conocen desde hace décadas, esta es la primera vez que un grupo de investigación ha traducido este concepto al vidrio laminado, "dijo el ingeniero estructural Kyriaki Corinna Datsiou de la Universidad de Nottingham en Inglaterra, que no participó en esta investigación pero que escribió un artículo en perspectiva sobre la nueva investigación para la revista donde se publica.

    Ensayos de impacto de paneles de vidrio tipo nácar y otros tipos de materiales transparentes. Crédito:Yin et al., Ciencia (2019)

    Los años de investigación que los científicos llevaron a cabo sobre el nácar revelaron detalles clave que querían imitar en su vaso. Por ejemplo, las baldosas no pueden ser demasiado largas, de lo contrario se romperían, pero si fueran muy cortos ellos también se romperían, Barthelat dijo. El patrón también tenía que ser muy preciso con aleatoriedad limitada, mientras que las capas de laminado debían ser altamente deformables, añadió.

    Los investigadores encontraron que su vidrio similar al nácar era de dos a tres veces más resistente a los impactos que el vidrio templado o laminado y de 15 a 24 veces más que el vidrio simple. Al mismo tiempo, era sólo un poco menos transparente que el vidrio laminado convencional.

    "Cualquier científico del vidrio le dirá que disparar un láser potente en un trozo de vidrio es una mala idea porque creará defectos y disminuirá la resistencia, "Barthelat dijo." Sin embargo, nuestro vidrio es un buen ejemplo en el que la eliminación de material y los procesos de debilitamiento aparentemente mejoran mucho el material ".

    Viga lisa laminada y viga de vidrio nácar bajo plegado. Crédito:Yin et al., Ciencia (2019)

    Además, "El método de fabricación que desarrollamos es relativamente fácil y escalable:se pueden producir volúmenes industriales de este material con mucha facilidad y a un costo razonable, "Barthelat dijo. Las aplicaciones para este vidrio podrían incluir automóviles y edificios" expuestos a escombros transportados por el viento durante tormentas de viento o al impacto de explosiones durante escenarios de terrorismo o crimen, "Dijo Datsiou.

    Los científicos notaron que su vidrio similar al nácar era entre un 10% y un 15% menos rígido que el vidrio normal, lo que hace que sea más probable que se doble bajo presión. Para compensar, sugirieron agregar una placa de vidrio simple frente a su vidrio con forma de nácar, lo que podría aumentar la resistencia general hasta en un 90% la del vidrio laminado.

    En el futuro, los investigadores quieren hacer una variedad de vasos con forma de nácar, como elementos curvos, o láminas ultrafinas para pantallas táctiles. "También queremos desarrollar versiones de nuestro nácar-vidrio que sean flexibles:una placa delgada de este vidrio se doblaría a grandes deformaciones, y luego recuperarse sin daño, "Dijo Barthelat.

    Ensayos de punción de paneles de vidrio tipo nácar. Crédito:Yin et al., Ciencia (2019)

    Datsiou también señaló que el futuro vidrio similar al nácar podría incorporar otras características que se encuentran en el nácar natural, como la forma ondulada o las superficies microscópicamente rugosas de las tabletas de nácar. Esto podría aumentar su rigidez y otras cualidades, Ella explicó.

    Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición del 28 de junio de la revista. Ciencias .

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de Inside Science. Lea la historia original aquí. Usado con permiso. Inside Science es un servicio de noticias editorialmente independiente del Instituto Americano de Física.




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