Imagen de microscopía óptica de la sección transversal de una escama de carpa que muestra una estructura multicapa. Crédito:Quan et al., Estructura y adaptabilidad mecánica de una escama de pez elasmoide moderna de la carpa común, Importar
Los seres humanos se han inspirado tecnológicamente en las escamas de pescado que se remontan a la antigüedad:romanos, Egipcios y otras civilizaciones vestirían a sus guerreros con armaduras de escamas, proporcionando protección y movilidad. Ahora, utilizando técnicas avanzadas de imágenes de rayos X, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han caracterizado las escalas de la carpa hasta la nanoescala, permitiéndoles comprender cómo el material es resistente a la penetración mientras conserva la flexibilidad.
Los investigadores utilizaron potentes haces de rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab para observar cómo reaccionan las fibras en las escamas de la carpa cuando se aplica estrés. Como escribieron en su periódico, publicado recientemente en la revista Importar , lo que encontraron "bien podría proporcionar más inspiración para el diseño de materiales estructurales sintéticos avanzados con una dureza y resistencia a la penetración sin precedentes".
"La estructura de los materiales biológicos es absolutamente fascinante, "dijo el autor principal, Robert Ritchie, de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, quien encabezó este trabajo con Marc Meyers, profesor de nanoingeniería e ingeniería mecánica en UC San Diego. "Nos gusta imitar estas propiedades en materiales de ingeniería, pero el primer paso es ver cómo lo hace la naturaleza ".
Las escamas de pescado tienen una capa exterior dura con una capa interior más suave que es resistente y dúctil. Cuando algo como los dientes de un depredador intentan hundirse en las escamas, la capa exterior resiste la penetración pero la interior tiene que absorber todo el exceso de carga para mantener la báscula en una sola pieza. ¿Como hace esto? Resulta que las fibras en la escala, que se compone de colágeno más minerales, están en una orientación torcida, llamada estructura Bouligand. Cuando se aplica tensión al material, las fibras giran en secuencia para absorber el exceso de carga.
"Se llama reorientación adaptativa. Es como un material inteligente, "dijo Ritchie, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Usando una técnica llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño, podemos seguir eso en tiempo real usando el sincrotrón. Lo irradiamos con rayos X, y de hecho podemos ver las fibras girando y moviéndose ".
Los científicos estudiaron la estructura de las escamas de la carpa común (Cyprinus carpio), Crédito:Quan et al., Estructura y adaptabilidad mecánica de una escama de pez elasmoide moderna de la carpa común, Importar
El colágeno que forma la piel humana, por otra parte, está "desordenado como un plato de espaguetis, pero puede desenredarse y alinearse para absorber energía, lo que hace que la piel sea increíblemente resistente al desgarro, "Dijo Ritchie. La estructura de Bouligand en la escala de la carpa está mucho más organizada, pero aún constituye un mecanismo de endurecimiento muy efectivo.
La otra característica notable de una escama de carpa es el gradiente entre las capas duras y blandas. "Si lo hiciéramos como armadura, tendríamos una interfaz entre el material duro y el blando. La interfaz es invariablemente una ubicación donde comienzan las grietas y las fallas, "dijo Ritchie, un experto en cómo fallan los materiales. "La forma en que lo hace la naturaleza:en lugar de tener estas interfaces donde hay discontinuidad entre un material y otro, la naturaleza hace un gradiente perfecto del material duro al blando (más resistente) ".
Trabajando en colaboración con los investigadores de UC San Diego, el equipo ha estudiado previamente el arapaima, un pez de agua dulce amazónico cuyas escamas son tan duras que son impenetrables para las pirañas, así como otras especies. Para este estudio eligieron la carpa, una versión moderna del antiguo pez celacanto, también conocido por tener escamas que actúan como armadura.
Ahora que se han caracterizado los mecanismos de deformación y falla de las escamas de carpa, intentar reproducir estas propiedades en un material de ingeniería es el próximo desafío. Ritchie señaló que los avances en la impresión 3-D podrían proporcionar una forma de producir degradados como lo hace la naturaleza, y así hacer un material que sea a la vez duro y dúctil.
"Una vez que tengamos una mejor idea de cómo manipular la impresión 3D, podemos empezar a hacer más materiales a imagen de la naturaleza, " él dijo.
