El estudiante de posgrado Zhifei Deng realiza pruebas nanomecánicas en un nanoindentador. Crédito:Virginia Tech
Ling Li, profesor asistente de ingeniería mecánica en Virginia Tech, ha encontrado conocimientos sobre la construcción de cerámicas más fuertes y resistentes mediante el estudio de las conchas de los moluscos bivalvos.
Esta perspectiva se forma al observar la capacidad de los bloques de construcción minerales básicos en el caparazón para anticipar fracturas, en lugar de centrarse solo en la forma y la química de la estructura. Los resultados de los hallazgos de su grupo fueron publicados el 10 de noviembre de 2020, cuestión de Comunicaciones de la naturaleza .
El equipo de Li llevó a cabo un análisis en profundidad de las estructuras microscópicas de las conchas de moluscos de caparazón de corral, bivalvos nativos del Caribe. Los caparazones de estos animales constan de dos capas, una capa interior de nácar y una capa exterior de color marrón. La capa interior de nácar, también conocido como nácar, es a menudo iridiscente debido a su estructura regular de capas nanoscópicas, similar al mecanismo de coloración de muchas alas de mosca de botella.
El equipo de Li centró su atención en la capa exterior, que se compone de cristales de calcita en forma de prisma dispuestos en un patrón de mosaico. Entre cristales minerales adyacentes, muy fino (aproximadamente 0,5 micrómetros, menos de una centésima parte del tamaño de un cabello humano) están presentes interfaces orgánicas que unen los cristales. Los cristales de calcita miden aproximadamente medio milímetro de longitud y 50 micrómetros de diámetro, asemejándose a prismas alargados.
A diferencia de muchos cristales geológicos o sintéticos, donde los átomos dentro de sus granos cristalinos están perfectamente dispuestos de manera periódica, los cristales de calcita en las carcasas de la pluma contienen muchos defectos nanoscópicos, compuesto principalmente de sustancias orgánicas.
Micrografías electrónicas de barrido de los cristales de calcita biológicos (izquierda) y geológicos (derecha) después de que fueron sangrados con una punta de diamante afilada bajo la misma cantidad de fuerza (0,5 N). Tenga en cuenta que el patrón de daño en los cristales de calcita biológica que se encuentran en los caparazones de las plumas está muy localizado y es mucho más pequeño que el de la calcita geológica (aproximadamente 40 μm frente a 100 μm). Crédito:Virginia Tech
"Puedes considerar la cerámica biológica, en este caso, los cristales de calcita de las cáscaras de la pluma, como estructura compuesta, donde muchas inclusiones nanométricas se distribuyen dentro de su estructura cristalina, ", Dijo Li." Esto es especialmente notable, ya que el cristal de calcita en sí es todavía un solo cristal ".
Normalmente, la presencia de defectos estructurales significa un sitio de falla potencial. Es por eso que el enfoque normal es minimizar las discontinuidades estructurales o las concentraciones de tensión en las estructuras de ingeniería. Sin embargo, El equipo de Li muestra que el tamaño, espaciado, geometría, orientación, y la distribución de estos defectos a nanoescala dentro del biomineral está altamente controlada, mejorando no solo la resistencia estructural sino también la tolerancia al daño a través de grietas y fracturas controladas.
Cuando estos proyectiles se someten a una fuerza exterior, el cristal minimiza la deformación plástica al impedir el movimiento de dislocación, un modo común de deformación plástica en calcita pura, ayudado por esos defectos nanoscópicos internos. Este mecanismo de refuerzo se ha aplicado en muchas aleaciones metálicas estructurales, como la aleación de aluminio.
Además de agregar fuerza, este diseño permite que la estructura utilice sus patrones de grietas para minimizar el daño en la carcasa interior. El patrón entrelazado en forma de mosaico de los cristales de calcita en la capa del prisma contiene además daños a gran escala cuando la fuerza externa se extiende a través de los cristales individuales. La estructura es capaz de agrietarse para disipar la energía de carga externa sin fallar.
"Claramente, estos defectos nanoscópicos no son una estructura aleatoria, pero en vez, juegan un papel importante en el control de las propiedades mecánicas de esta cerámica natural, ", dijo Li." A través de los mecanismos descubiertos en este estudio, el organismo realmente convierte la calcita originalmente débil y quebradiza en una armadura biológica fuerte y duradera. Ahora estamos experimentando un posible procesamiento de fabricación, como la impresión 3D, implementar estas estrategias para desarrollar compuestos cerámicos con propiedades mecánicas mejoradas para aplicaciones estructurales ".
