El nácar, la parte iridiscente de las conchas de moluscos, es un ejemplo de diseño inspirado en la biología. A pesar de estar hecho de tiza quebradiza, la microestructura intrincadamente estratificada del nácar le confiere una notable capacidad para resistir la propagación de grietas, una propiedad del material conocida como tenacidad.

Los ingenieros que buscan diseñar materiales más resistentes han buscado durante mucho tiempo imitar este tipo de capas naturales, que también se encuentra en las caracolas, astas de ciervo y otros lugares. Pero un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Brown sirve como advertencia:no todas las estructuras en capas son tan resistentes.

El estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , probó otra microestructura en capas reconocida por sus propiedades físicas:las espículas de ancla de una esponja marina llamada Euplectella aspergillum. Las espículas son diminutos filamentos de vidrio en capas que sujetan las esponjas al fondo del mar. La estructura en capas de las espículas a menudo se compara con la del nácar, los investigadores dicen, y se ha asumido que la estructura de la espícula mejora de manera similar la tenacidad. Este nuevo estudio encuentra lo contrario.

"A pesar de las similitudes entre las arquitecturas de nácar y espículas de Euplectella, Descubrimos que la arquitectura de la espícula hace relativamente poco en términos de mejorar su dureza, contrariamente a una suposición de larga data, "dijo Max Monn, un doctorado recientemente graduado. estudiante de Brown y coautora de estudios.

Para el estudio, los investigadores compararon la tenacidad de las espículas de Euplectella con las de otra especie de esponja, Tethya aurantia. Las espículas de Tethya tienen una composición química similar a las espículas de Euplectella pero carecen de la estructura en capas. Para probar la tenacidad, el equipo puso pequeñas muescas en las espículas y luego las dobló. Midiendo la energía consumida cuando las grietas se propagan desde las muescas bajo tensión de flexión, los investigadores pudieron cuantificar la dureza de ambos tipos de espículas.

Los experimentos mostraron muy poca diferencia en la tenacidad entre las dos espículas, lo que sugiere que las capas de Euplectella no proporcionan mucha mejora de dureza. Usando modelado por computadora, los investigadores pudieron profundizar en por qué las capas mejoran la tenacidad en algunos materiales y no en otros. Los modelos mostraron que la curvatura de las capas en espículas cilíndricas parece desactivar la mejora de la tenacidad de las estructuras en capas. Capas planas, como los que se encuentran en el nácar, parecen evitar que las grietas se extiendan de una capa a la siguiente, dicen los investigadores. Pero en materiales con capas curvas como las espículas de Euplectella, las grietas pueden saltar de una capa a otra en lugar de detenerse entre las capas.

Los hallazgos revelan una relación previamente desconocida entre la curvatura y la dureza en materiales en capas y tienen implicaciones para el diseño de materiales compuestos bioinspirados. dice Haneesh Kesari, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del artículo.

"Específicamente, muestra que si adopta una arquitectura en capas para mejorar la tenacidad de un material, debe tener cuidado con las áreas que requieren que las capas sean curvas, ", Dijo Kesari." Nuestras mediciones de las espículas y los resultados de nuestro modelo computacional muestran que las capas curvas no proporcionan la misma magnitud de mejoras de dureza que cuando las capas son planas ".

Los hallazgos no significan que la estructura en capas de las espículas de Euplectella no sea interesante. El trabajo anterior del laboratorio de Kesari ha demostrado que la estructura en capas parece aumentar enormemente la resistencia a la flexión de las espículas, para soportar grandes curvaturas de flexión antes de fallar. Pero la resistencia a la flexión y la tenacidad son propiedades mecánicas muy diferentes, y ayudar a disipar la idea de que las capas siempre mejoran la resistencia es una idea útil para el diseño bioinspirado en general, dicen los investigadores.

"Nuestro estudio indica que no todas las arquitecturas en capas proporcionan una mejora significativa de la tenacidad, "dijo Sayaka Kochiyama, estudiante graduada de Brown y coautora de estudios. "Esa mejor comprensión de la relación estructura-propiedad es necesaria para evitar la biomimetismo ingenuo".