Ling Li tiene una lección en uno de sus cursos de ingeniería mecánica sobre cómo se comportan bajo estrés los materiales frágiles como el carbonato de calcio. En eso, toma un trozo de tiza compuesto por el compuesto y lo parte por la mitad para mostrar a sus alumnos el borde de uno de los trozos rotos. La ruptura es contundente y directa.

Luego, tuerce una segunda pieza, lo que da como resultado fragmentos más afilados que se rompen en un ángulo de 45 grados, indicando la dirección más peligrosa de la tensión de tracción en la tiza. La tiza rota ayuda a Li a demostrar lo que hará el carbonato de calcio frágil bajo fuerzas normales:tiende a fracturarse.

"Si lo dobla, se romperá "Dijo Li.

En el laboratorio de Li para materiales biológicos y bioinspirados, muchos de los animales marinos que estudia por sus materiales estructurales biológicos tienen partes hechas de carbonato de calcio. Algunos moluscos lo usan en cristales fotónicos que crean una pantalla de colores vívidos, "como las alas de una mariposa, "Dijo Li. Otros tienen ojos minerales construidos con él, en sus caparazones. Cuanto más Li estudia a estos animales, cuanto más le asombra el uso que sus cuerpos encuentran para el material intrínsecamente frágil y quebradizo. Especialmente cuando el uso desafía esa fragilidad.

En un estudio publicado por procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , El equipo de investigación de Li se centró en la sepia, otro de esos inventivos, animales de tiza y un viajero de las profundidades del océano. Los investigadores investigaron la microestructura interna de la jibia, la capa interna altamente porosa del molusco, y descubrió que la microestructura es única, El diseño de "tabiques de pared" con cámara optimiza el hueso de la jibia para que sea extremadamente ligero, rígido, y tolerante al daño. Su estudio se adentra en las estrategias de diseño de materiales subyacentes que le dan a la jibia estas propiedades mecánicas de alto rendimiento, a pesar de la composición de la cáscara principalmente de aragonito quebradizo, una forma cristalina de carbonato de calcio.

En el océano, la sepia usa la sepia como un tanque de flotabilidad duro para controlar su movimiento hacia arriba y hacia abajo en la columna de agua, a profundidades tan bajas como 600 metros. El animal ajusta la proporción de gas a agua en ese tanque para flotar hacia arriba o hundirse. Para cumplir este propósito, la carcasa debe ser liviana y porosa para el intercambio activo de fluidos, pero lo suficientemente rígido como para proteger el cuerpo de la sepia de la fuerte presión del agua a medida que se sumerge más profundo. Cuando el hueso de la jibia es aplastado por la presión o por la mordedura de un depredador, tiene que poder absorber mucha energía. De esa manera, el daño permanece en un área localizada del caparazón, en lugar de destrozar toda la sepia.

La necesidad de equilibrar todas estas funciones es lo que hace que Cuttlebone sea tan único, El equipo de Li descubrió, mientras examinaban la microestructura interna del caparazón.

Doctor. El estudiante y coautor del estudio, Ting Yang, utilizó una micro tomografía computarizada basada en sincrotrón para caracterizar la microestructura del hueso de la sepia en 3-D, penetrando el caparazón con un potente haz de rayos X del Laboratorio Nacional de Argonne para producir imágenes de alta resolución. Ella y el equipo observaron lo que sucedió con la microestructura del caparazón cuando se comprimió aplicando el método de tomografía in situ durante las pruebas mecánicas. Combinando estos pasos con la correlación de imágenes digitales, que permite la comparación de imágenes cuadro por cuadro, estudiaron los procesos completos de deformación y fractura de la jibia bajo carga.

Sus experimentos revelaron más sobre la microestructura de septa de pared con cámara de sepia y su diseño para un peso optimizado. rigidez, y tolerancia al daño.

El diseño separa la jibia en cámaras individuales con pisos y techos, o "septa, "sostenido por" paredes verticales ". Otros animales, como pájaros, tener una estructura similar, conocida como estructura sándwich. Con una capa de hueso denso encima de otra y puntales verticales en el medio para soporte, la estructura se hace ligera y rígida. A diferencia de la estructura de sándwich, sin embargo, La microestructura de la sepia tiene múltiples capas, esas cámaras, y están sostenidas por paredes onduladas en lugar de puntales rectos. La ondulación aumenta a lo largo de cada pared desde el suelo hasta el techo en un "gradiente de ondulación".

"La morfología exacta que no hemos visto, al menos en otros modelos, ", dijo Li sobre el diseño. Este diseño de tabique de pared le da a la jibia un control de dónde y cómo ocurre el daño en el caparazón. en lugar de catastrófico, falla:cuando se comprime, las cámaras fallan una a una, progresivamente en lugar de instantáneamente.

Los investigadores encontraron que las paredes onduladas de la jibia inducen o controlan la formación de fracturas en el medio de las paredes, en lugar de en pisos o techos, lo que provocaría el colapso de toda la estructura. A medida que una cámara sufre la fractura de la pared y la posterior densificación, en la que las paredes fracturadas se compactan gradualmente en la cámara dañada, la cámara adyacente permanece intacta hasta que las piezas fracturadas penetran en sus pisos y techos. Durante este proceso, se puede absorber una cantidad significativa de energía mecánica, Li explicó, limitar el impacto externo.

El equipo de Li exploró más a fondo el potencial de alto rendimiento de la microestructura de jibión con modelado computacional. Usando mediciones de la microestructura hechas con la tomografía 3D anterior, El investigador postdoctoral Zian Jia construyó un modelo paramétrico, realizó pruebas virtuales que alteraron la ondulación de las paredes de la estructura, y observó cómo se comportó el caparazón como resultado.

"Sabemos que Jibión tiene estas paredes onduladas con un degradado, "Dijo Li." Zian cambió el gradiente para que pudiéramos aprender cómo se comportaba la jibia si íbamos más allá de esta morfología. Es mejor, ¿o no? Demostramos que la jibia se encuentra en un lugar óptimo. Si la ondulación se vuelve demasiado grande, la estructura es menos rígida. Si las olas se vuelven más pequeñas, la estructura se vuelve más frágil. Cuttlebone parece haber encontrado un punto dulce, para equilibrar la rigidez y la absorción de energía ".

Li ve aplicaciones para el diseño microestructural de cuttlebone en espumas cerámicas. Entre las espumas utilizadas para resistencia al aplastamiento o absorción de energía en envases, transporte, e infraestructura, Los materiales poliméricos y metálicos son las opciones más populares. Las espumas cerámicas rara vez se usan porque son frágiles, Dijo Li. Pero las cerámicas tienen sus propias ventajas únicas:son más estables químicamente y tienen una temperatura de fusión alta.

Si las propiedades de la jibia pudieran aplicarse a las espumas cerámicas, su capacidad para soportar altas temperaturas, junto con la tolerancia al daño recién descubierta, podría hacer que las espumas cerámicas sean ideales para su uso como unidades de protección térmica en transbordadores espaciales o como protección térmica general, Li cree. Su equipo ha estado evaluando esa aplicación en un estudio separado.

Aunque el equipo ya ha comenzado a mirar del mar al cielo a las posibilidades que inspira Jibión, su estudio de las estrategias fundamentales de diseño del caparazón es igualmente importante para Li.

"La naturaleza fabrica muchos materiales estructurales, "Dijo Li." Estos materiales se fabrican a temperatura ambiente y presión atmosférica regular, a diferencia de los metales, que puede ser perjudicial para el medio ambiente para producir; es necesario utilizar altas temperaturas y procesos de refracción para los metales.

"Estamos intrigados por tales diferencias entre los materiales estructurales biológicos y los materiales estructurales de ingeniería. ¿Podemos unir estos dos y proporcionar información sobre la fabricación de nuevos materiales estructurales?"