(PhysOrg.com) - En la naturaleza, la fuerza del nácar es clave para la supervivencia de algunos mariscos. Ahora un equipo dirigido por Xiaodong Li, profesor de ingeniería en la Universidad de Carolina del Sur, ha planteado una explicación a la inusual resistencia que este importante escudo defensivo muestra frente a los ataques depredadores. Dadas las elaboradas estructuras a nanoescala que la biología incorpora naturalmente en el nácar, el equipo de investigación cree que los hallazgos podrían servir como modelo para diseñar nuevos materiales resistentes en el laboratorio.
"Durante mucho tiempo, pensamos que entendíamos cómo funcionan estos biomateriales a nanoescala, pero resulta que solo sabemos un poco, "Dijo Li, cuyo equipo publicó sus resultados en un artículo recién publicado en la nueva revista de Nature Publishing, Informes científicos .
Madre perla, también llamado nácar, constituye el revestimiento interior de la concha de los mejillones perla y algunos otros moluscos. Las perlas mismas están hechas de nácar, que es un nanomaterial compuesto construido por la biomáquina del marisco. Los diminutos granos de cristal de carbonato de calcio están dispuestos en forma regular, patrón intrincado y unidos por biopolímeros en la estructura del nácar, lo que añade una enorme estabilidad al material:es unas 1000 veces más resistente al agrietamiento por impacto que la forma cristalina del carbonato de calcio (el mineral aragonito) que constituye la mayor parte del nácar.
En efecto, el carbonato de calcio por sí solo es quizás mejor conocido como tiza de pizarra; su tendencia a desmoronarse socava cualquier idea de que serviría como un medio eficaz para detener una bala. Y, sin embargo, la naturaleza organiza una compleja estructura similar a un ladrillo y mortero, con ladrillos de carbonato de calcio que miden en el rango de nanómetros, para crear un material increíblemente resistente. mucho más fuerte que la suma de sus partes. La brillante calidad del nácar es un subproducto de esta estructura, porque la luz visible que refleja tiene longitudes de onda que son similares en tamaño a los ladrillos a nanoescala que contiene.
La fuerza del nácar bajo presión, Li explicó, es inusual y algo contrario a la intuición. Cuando se aprieta rápidamente (carga dinámica), soporta mucha más presión que cuando se aprieta lentamente (carga estática). “Esta es una característica de los materiales naturales con arquitecturas de nanopartículas, "Dijo Li, "Casi ninguna cerámica artificial tiene esta propiedad, que sería invaluable en aplicaciones como chalecos antibalas, por lo que comprender cómo funciona es muy importante ".
El aumento de la fuerza del nácar frente a la presión rápida se conoce desde hace 10 años, pero las razones subyacentes siguen sin estar claras. Entonces, el equipo de Li se propuso comprender el mecanismo centrándose en la estructura del nácar a nanoescala. Cortaron con precisión muestras de nácar de abulón rojo de California y las sometieron a cargas tanto dinámicas como estáticas. El nácar que se exprimió rápidamente:la prueba balística, en cierto sentido, oponga más del doble de resistencia antes de fracturarse que la que se aprieta lentamente. Luego Li y compañeros de trabajo, que incluyó a investigadores de la USC, así como a colaboradores de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte, usó microscopía electrónica de transmisión para abordar los detalles de la fractura a nivel de nanoescala.
Sus resultados fueron completamente inesperados. En condiciones balísticas de compresión rápida, las partículas a nanoescala trabajan juntas para frenar el pandeo del material. Los investigadores concluyeron que el hermanamiento de deformaciones, un proceso visto en algunos metales y un indicador particular de resistencia frente al estrés, entra en juego con las nanopartículas de carbonato de calcio. Pero este mecanismo solo fue evidente con condiciones balísticas, no bajo la aplicación más lenta de presión. El equipo de Li también concluyó que las dislocaciones parciales dentro de la nanoestructura dan más fuerza al material, pero otra vez, solo ocurrió bajo las condiciones balísticas.
Cuando se enfrenta a un corto, poderoso empuje de un depredador, una actividad contra la que los mariscos han pasado muchos millones de años trabajando en su defensa, los ladrillos nanoestructurales en la estructura general del nácar trabajan juntos para absorber el impacto y maximizar la resistencia. El estrés primero se absorbe y se disipa dentro de la propia nanoestructura antes de que el material en sí sea dominado y fracturado.
Ahora que el equipo de Li ha dilucidado los medios de las defensas reforzadas del nácar, los ingenieros pueden intentar aplicar las lecciones a los materiales sintéticos. “El objetivo real es poder diseñar estos materiales, ”Dijo Li. "Comprender el mecanismo es el primer paso para hacer, como solo un ejemplo, mejores materiales a prueba de balas ".
