Nácar, el material iridiscente que recubre las conchas de moluscos como el nácar y el abulón, ha sido durante mucho tiempo un preciado hallazgo de vagabundos y recolectores de conchas, debido a la belleza natural y variedad de colores que se pueden encontrar en el mismo. Pero los científicos e ingenieros también se han maravillado y estudiado durante mucho tiempo el nácar; es un material resistente y resistente, compuesto por capas alternas de plaquetas de aragonito y película a base de proteínas orgánicas. El mundo natural contiene muchos materiales que han evolucionado con el tiempo para optimizar la resistencia, durabilidad, y rendimiento. A medida que los investigadores e ingenieros buscan desarrollar materiales de construcción mejorados y más sostenibles, cada vez más buscan inspiración en la naturaleza.

La composición física del nácar le permite soportar cantidades considerables de presión y daño a lo largo de las plaquetas sin causar daños importantes en toda la cáscara. Algunos han supuesto que hay más en juego de las plaquetas individuales que les permite una fuerza y ​​durabilidad tan extraordinarias, pero los investigadores han carecido de las herramientas y los procesos para profundizar en la relación entre la orientación del cristal y las propiedades mecánicas, hasta ahora.

Durante las últimas dos décadas, las carcasas se han probado típicamente para determinar su resistencia utilizando técnicas como la prueba de flexión macroscópica, micro / nano indentación, y microscopio de fuerza atómica. Ahora, Admir Masic, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental del MIT, estudiante de posgrado Hyun-Chae "Chad" Loh, y otros cinco han combinado la microscopía electrónica de barrido y la micro-indentación con la espectroscopía Raman y han desarrollado un poderoso método de caracterización quimio-mecánica que permite el mapeo tridimensional de tensiones y deformaciones mediante una técnica conocida como piezo-Raman.

"Desarrollamos una metodología para extraer información quimio-mecánica importante de un sistema biológico muy conocido y estudiado, "explica Masic, cuyos hallazgos se publicaron recientemente en Communications Materials. "La correlación de los resultados de micro-sangría y piezo-Raman nos permitió evaluar y cuantificar la cantidad de tensión disipada a través de la estructura jerárquica".

El nuevo enfoque para cuantificar el rendimiento mecánico del material es suficiente para ser una gran noticia por sí solo, pero durante el proceso, Masic y sus colegas investigadores, a quienes atribuye gran parte del trabajo en este esfuerzo colaborativo, se sorprendieron con los resultados.

"Primero aplicamos estas herramientas para estudiar el mecanismo de endurecimiento por deformación en una escala de unos pocos micrones. Sin embargo, notamos que la disipación de energía no se limitaba a la estructura de ladrillo y mortero, pero estaba afectando un área mucho más grande de lo que esperábamos. Ampliamos nuestro alcance de estudio a una escala mayor y encontramos este nuevo mecanismo de endurecimiento que está relacionado con una mesoestructura en una escala de 20 micrones, "dice Loh. Lo que encontraron los investigadores es que las pilas de plaquetas de aragonito co-orientadas constituyen otro nivel jerárquico de estructura, que endurece el material a medida que se tensa.

Raman polarizado, otra técnica utilizada en este estudio, ayudó al equipo a observar lo que se conoce como la orientación cristalográfica de los ladrillos de aragonito. A través de la investigación de los patrones de orientación, los investigadores pudieron dilucidar la escala de longitud característica de las pilas de aragonito y relacionarla con los patrones de propagación de grietas. Las grietas se propagaron entre las pilas de aragonito, evidenciando su contribución mecánica a la tenacidad del nácar.

"Esto nos dio una oportunidad para explicar potencialmente qué está causando este endurecimiento a escalas más grandes. Se pueden encontrar arreglos sistemáticos de cristales dentro de otros materiales biominerales". como nuestros dientes, y la microtextura de los materiales impacta directamente en su función ", dice Masic.

Imitar materiales naturales como el nácar ha sido una estrategia popular para diseñar nuevos materiales. La pequeña escala de sus estructuras, sin embargo, plantea un desafío para replicar y fabricar las morfologías naturales. "Con nuestro descubrimiento, Proponemos una nueva estrategia de biomimetismo para simular la estructura del nácar en una escala de 10 micrones o mayor, en lugar del nano nivel ", dice Masic.

Es una noticia emocionante para los investigadores que están explorando nuevas posibilidades de materiales sintéticos inspirados en el diseño natural.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.