Nácar, también conocido como nácar, es un duro componente fuerte y ligero de las conchas marinas. La estructura microscópica del nácar muestra plaquetas unidas por una matriz más blanda para formar un material compuesto con propiedades que los científicos tratan de imitar en compuestos sintéticos. Una nueva fórmula de investigadores de la Universidad de Rice tiene como objetivo simplificar el proceso. Crédito:Wikipedia
Madre perla, la capa iridiscente en las conchas de algunos moluscos, inspiró un estudio de la Universidad de Rice que ayudará a los científicos e ingenieros a juzgar la fuerza máxima, rigidez y dureza de los materiales compuestos para cualquier cosa, desde electrónica a nanoescala hasta edificios.
Los investigadores de Rice Rouzbeh Shahsavari y Navid Sakhavand han creado mapas universales que predicen las propiedades de los compuestos naturales y biomiméticos de matriz de plaquetas (como nácar, también conocido como nácar) y pilas sintéticas (o heteroestructuras) de materiales como el grafeno y el nitruro de boro.
Dijeron que sus mapas dibujados por computadora son "adimensionales" y sus hallazgos funcionarán tan bien para materiales construidos con bloques a nanoescala como lo harían para una pared de ladrillos. o más grande.
"Esa es la belleza de este enfoque:puede escalar a algo muy grande o muy pequeño, "dijo Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia e ingeniería de materiales.
La investigación apareció esta semana en Comunicaciones de la naturaleza .
La fórmula se basa en cuatro características de los materiales individuales considerados para un compuesto:su longitud, una relación basada en su respectiva rigidez, su plasticidad y cómo se superponen.
Esas son las entradas, dijo Sakhavand, estudiante de posgrado en el laboratorio de Shahsavari. "Si los conoces, puedes predecir la rigidez, resistencia y tenacidad del compuesto final. Llamamos a esto un mapa universal porque todos esos parámetros de entrada son relevantes para todos los compuestos y sus propiedades estructurales ".
A los científicos e ingenieros de materiales, rigidez, la tenacidad y la fuerza son distintas, importantes propiedades mecánicas. La resistencia es la capacidad de un material de permanecer unido cuando se estira o se comprime. La rigidez es qué tan bien un material resiste la deformación. La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía antes de fallar.
Los mapas de diseño de los investigadores muestran cómo se clasifican los materiales en las tres categorías y dónde se superponen. Su objetivo es ayudar a los ingenieros a calcular las cualidades máximas de un material y reducir el ensayo y error.
El estudio comenzó cuando Shahsavari echó un vistazo de cerca a la arquitectura del nácar, que maximiza tanto la fuerza como la tenacidad, que son propiedades típicamente mutuamente excluyentes en materiales de ingeniería. Bajo un microscopio el nácar parece una pared de ladrillos bien construida con plaquetas superpuestas de diferentes longitudes unidas por capas delgadas de un biopolímero elástico.
Los investigadores del arroz Rouzbeh Shahsavari, izquierda, y Navid Sakhavand han creado mapas universales que predicen las propiedades de los compuestos de matriz plaquetaria naturales y biomiméticos y las pilas sintéticas de materiales como el grafeno y el nitruro de boro. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"Tiene una estructura y una propiedad muy particular:optimiza diferentes propiedades mecánicas al mismo tiempo". Dijo Sakhavand.
Sin embargo, la ingeniería de compuestos similares al nácar ha sido difícil hasta ahora, "principalmente debido a la falta de un mapa de diseño que pueda revelar los diversos vínculos entre la estructura, materiales y propiedades de materiales similares al nácar, "Dijo Shahsavari.
Dijo que el trabajo es un hito importante hacia una mejor capacidad para decodificar y replicar la arquitectura de nácar para peso ligero, compuestos de alto rendimiento. Estos podrían beneficiar a la industria aeroespacial, industrias del automóvil y de la construcción, él dijo.
Una ilustración producida por científicos de la Universidad de Rice compara las propiedades de las estructuras compuestas basándose en sus cálculos. Los investigadores han creado un mapa de diseño que predice la fuerza, rigidez y tenacidad de los materiales compuestos independientemente del tamaño. Crédito:Grupo Shahsavari / Universidad Rice
El trabajo de los investigadores de Rice abarcó tres años de cálculo y experimentación que implicó mapear las propiedades de compuestos naturales como el colágeno y la seda de araña, así como pilas sintéticas como el nitruro de boro hexagonal / grafeno y la siluminio / alúmina. También probaron su teoría a escala macro, Compuestos impresos en 3D de plástico duro y caucho blando que imitaban las propiedades que observaban en el nácar.
Un mapa de 15 de los materiales que probaron muestra que los naturales como el nácar tienden a ser fuertes y resistentes, mientras que los sintéticos se inclinan hacia los fuertes y rígidos. Shahsavari dijo que espera que los científicos de materiales usen los mapas de diseño para dar a sus compuestos la mejor combinación posible de las tres propiedades.
