Tough, ligeros y resistentes: Lecciones de la naturaleza podrían llevar a la creación de nuevos materiales 14-Feb-2013

Contacto: Ioana Patringenaru

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Universidad de California - San Diego

Tough, ligeros y resistentes: Lecciones de la naturaleza podrían llevar a la creación de nuevos materiales

IMAGEN: Una cáscara del olmo está hecho de miles de capas de "tejas" hechos de carbonato de calcio (más comúnmente conocida como la tiza). Una clave para la fortaleza de la concha de abulón es ...

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En una revisión radical de la esfera de la ingeniería bio-inspirado y biomimetismo en la edición del 15 de febrero la revista Science, dos ingenieros de la Universidad de California, San Diego, identifican tres características de los materiales biológicos que ellos creen que los ingenieros harían bien en emular en los materiales hechos por el hombre: el peso ligero, la dureza y la fuerza.

Joanna McKittrick y Marc Meyers, desde el programa de ciencia de los materiales en la Escuela Jacobs de Ingeniería de la Universidad de California San Diego, examinan las tres características en una amplia gama de materiales, desde la seda de araña, con langosta y abulón conchas, al tucán pico y las púas de puercoespín. Las lecciones aprendidas de estos materiales podrían conducir a una mejor armadura, los aviones más ligeros y materiales más fuertes y más flexibles, dijeron los investigadores.

Impresión 3D ofrece nuevas oportunidades para la fabricación de estos materiales, dijeron los ingenieros. "Un abulón no crece una cáscara durante la noche", dijo McKittrick. "Pero usted podría construir un material similar a la concha de abulón utilizando los principios que hemos aprendido de la naturaleza por la capa de impresión y capas de depósitos minerales-y hacerlo mucho más rápido que la naturaleza lo haría."

IMAGEN: El interior del pico del tucán es "espuma" rígida hecha de fibras óseas y membranas de tambor-como intercaladas entre las capas exteriores de la queratina, la proteína que compone las uñas, el cabello y las ...

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Meyers y McKittrick han estado estudiando los diseños inspirados en la biología por más de una década y fueron comisionados para escribir una revisión de estudios sobre el tema byScience. A través de los años, han utilizado una amplia gama de herramientas avanzadas, desde

Difracción de rayos X para la microscopía electrónica; y desarrollado pruebas de propiedades mecánicas de materiales 'en la nanoescala, para entender la estructura subyacente de los materiales encontrados en los animales y las plantas.

"La madre naturaleza nos da las plantillas", dijo McKittrick. "Estamos tratando de entenderlos mejor para que podamos aplicarlas en nuevos materiales."

"Planteamos los mecanismos que pueden ayudar a dilucidar las propiedades de los materiales biológicos", dijo Meyers.

Diseños inspirados-Bio han sido una parte de la ciencia y la ingeniería por un tiempo-de la leyenda de Ícaro largo, a las máquinas de vuelo de Leonardo Da Vinci, inspirados en los pájaros, a los materiales de hoy en día como el Velcro, Meyers señaló.

Materiales resistentes: la importancia de las interfaces

Materiales resistentes desvían grietas erigiendo diversos obstáculos que impiden que las grietas se propaguen en línea recta. Materiales en la naturaleza utilizan diversas estrategias para lograr este resultado. Una es la de integrar las fibras de colágeno elásticas en minerales frágiles. Otro es el uso de las interfaces entre las capas de materiales para crear obstáculos.

IMÁGENES: El pez vaca de cuernos largos, de la familia de pez cofre, se pueden encontrar en las aguas tropicales y subtropicales de los océanos Pacífico y Atlántico. Su concha es un buen ejemplo de un material ...

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Por ejemplo, en la nanoescala, una concha de abulón está hecha de miles de capas de "tejas" hechos de carbonato de calcio (más comúnmente conocida como la cal), de unos 10 micrómetros de ancho y 0,5 micrómetros de espesor-aproximadamente una centésima del espesor de un hebra de cabello humano. Los montones irregulares de azulejos finos refractan la luz para dar el brillo característico de la madreperla. Están organizados en una estructura de ladrillo-como altamente ordenada dispuestos en la configuración más dura teóricamente posible.

Una clave para la resistencia de la cáscara del olmo, Meyers dijo, es un adhesivo de proteína que se une a las superficies superior e inferior de los azulejos de carbonato de calcio. El pegamento es lo suficientemente fuerte como para sostener las capas de azulejos firmemente juntos, pero lo suficiente como para permitir que las capas deslizarse aparte débil, que absorbe la energía de un fuerte golpe en el proceso. Los abulones se llenan rápidamente en fisuras debidas a impactos, y también depositar "bandas de crecimiento" de la materia orgánica durante las pausas estacionales de crecimiento de la concha. Las bandas de crecimiento sigan reforzando las conchas. Meyers cree que los diseños inspirados en la estructura de la concha de abulón podrían ayudar a mejorar los materiales cerámicos avanzados en el futuro.

Estructuras ligeras cáscaras y espumas

Los animales han desarrollado increíblemente ligeras estructuras todavía duros compatibles con el movimiento, incluyendo vuelo. Piense en las plumas de aves, púas de puerco espín y picos de aves. Estas estructuras están hechas de materiales que no se doblan mientras que ser lo más ligero posible. La mayoría están hechas de estructuras tubulares con un diámetro bastante grande. Pero cuando el diámetro de los tubos alcanza un cierto tamaño, se convierten en cada vez más probable que la hebilla. Para aumentar la resistencia al pandeo, los tubos se llenaron con una sustancia de tipo espuma.

Por ejemplo, el interior del pico del tucán es "espuma" rígida hecha de fibras óseas y membranas de tambor-como intercaladas entre las capas exteriores de la queratina, la proteína que compone las uñas, el cabello y la bocina. El resultado es "espuma" maciza de células herméticas que da el pico rigidez adicional. Como una casa cubierta por un techo de tejas, la espuma se cubre con la superposición de baldosas de queratina, cada uno de aproximadamente 50 micrómetros de diámetro y 1 micrómetro de espesor, que se pegan juntos para producir hojas.

Meyers dijo que el bio-compuesto que se encuentra en el pico del tucán podría inspirar el diseño de aeronaves y vehículos componentes ultraligeros.

Los investigadores también describen otras estrategias para que los objetos ligeros. Algunos huesos de las alas de aves tienen estructuras puntal-como dentro de ellos como refuerzos. El bambú es hecha de segmentos que no se agrietan.

"Los sistemas naturales se construyen a partir de tan pocos elementos, sin embargo, utilizan formas ingeniosas para ensamblar todos estos diferentes materiales para maximizar sus propiedades", dijo McKittrick.

Materiales fuertes: la importancia de los biopolímeros

Los biopolímeros, tales como colágeno, son un componente clave de los materiales naturales fuertes. En los niveles más bajos de estrés, pueden someterse a un considerable estiramiento, sus moléculas desenrollar y unkinking, sin romperse. En los niveles más altos de estrés, que es en sí la columna vertebral del polímero que se estira. Estos biopolímeros se encuentran entre los minerales rígidas, donante de los materiales de su fuerza natural.

Por ejemplo, la seda de araña tiene una alta resistencia a la tracción y extensibilidad. "Es más fuerte que casi cualquier material", dijo Meyers. El ¬ lk si está hecho de láminas plegadas de nanocristales conectadas por puentes de hidrógeno débiles e incrustadas en filamentos de proteína. En condiciones de baja tensión, las cadenas de proteínas se desenrollan y se enderezan, al igual que los biopolímeros. Bajo mayor estrés, la carga se transfiere a los nanocristales. Si es necesario, algunos de los enlaces de hidrógeno se deslizan, permitiendo que la estructura para estirarse sin romperse. La dependencia de la Seda en enlaces de hidrógeno para la fuerza sugiere que los investigadores pueden tener que buscar nuevas vías para diseñar materiales más fuertes, dijo Meyers. Dicho sea de paso, estructuras similares se pueden encontrar en el hueso, donde los enlaces de hidrógeno de sacrificio entre las fibrillas de colágeno mineralizadas imparten excelente resistencia a la fractura.

Estructuras fuertes más complejos se pueden encontrar en todo, desde la lana a los huevos bocina.

Ejemplos de la vida real de los materiales y el diseño bioinspiradas

Más allá de Velcro, hay múltiples ejemplos de materiales y el diseño bio-inspirados. Trajes de baño para nadadores de competición fueron construidos para replicar las crestas que reducen la fricción en la piel del tiburón (y más tarde fueron prohibidos de la competición). Los investigadores del MIT han desarrollado una cinta quirúrgica basada en la estructura de las patas pegajosas del geco. Las irregularidades encontradas en las aletas de la ballena reducen la resistencia y ahora se utilizan en diseños de aspas de turbina.

Los investigadores creen que más y mejor, los materiales están aún por venir.

"Hay un enorme número de ejemplos de cosas que no podemos hacer con los materiales tradicionales", dijo McKittrick. "Va a tomar más tiempo para hacer estos materiales bio-inspirados. Pero van a ser mejor ".

"Este campo está aquí para quedarse", dijo Meyers.