Ling Li busca en los erizos de mar espumas cerámicas más fuertes

Sep 28, 2023

27 oct 2022

Ling Li, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Virginia Tech, ha descubierto un misterio en las microestructuras porosas de los exoesqueletos de erizos de mar que podría conducir a la creación de cerámicas sintéticas livianas. Sus hallazgos fueron publicados en Nature Communications el 14 de octubre.

Las cerámicas son altamente resistentes al calor, lo que las convierte en la opción favorita para manejar las demandas térmicas brutales de los vehículos de alta velocidad que viajan más rápido que la velocidad del sonido. A esas velocidades vertiginosas, el aire comprimido crea una fricción significativa contra el vehículo, lo que resulta en un rápido aumento del calor que encuentra.

La resistencia al calor puede ser la fortaleza de la cerámica, pero la tolerancia al daño es una debilidad. Un solo impacto puntual en una placa de cerámica puede resultar en una grieta que se propaga rápidamente y provoca la falla total de la estructura. Las cerámicas se vuelven aún menos tolerantes al daño cuando se vuelven porosas para reducir el peso; sin embargo, la disminución del peso es un requisito fundamental para muchas aplicaciones estructurales, incluidos los vehículos de alta velocidad.

La Fuerza Aérea de EE. UU., uno de los patrocinadores de la investigación de Li, ha estado interesada durante mucho tiempo en mejorar el rendimiento mecánico de los materiales cerámicos. Además de recibir apoyo financiero de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el equipo de Li también obtuvo fondos de la Fundación Nacional de Ciencias.

Estos fondos combinados, recibidos por el laboratorio en 2018, han equipado a los investigadores para explorar nuevos principios de diseño integrados en los sólidos celulares de cerámica natural formados por organismos como los erizos de mar. El exoesqueleto de un erizo de mar es un tipo de sólido celular, o "espuma", llamado así porque su microestructura es un conjunto de células abiertas con bordes o caras sólidas, empaquetadas para llenar el espacio. Los espacios entre las celdas las hacen porosas, creando un material que puede ser mecánicamente más eficiente que las estructuras densas.

"En este trabajo, creemos que encontramos algunas de las estrategias clave que permiten que el erizo de mar sea fuerte y resistente al tiempo que ofrece una reducción de peso con su microestructura porosa", dijo Li. "Este artículo de Nature Communications informa los resultados que encontramos de lo que está escondido dentro".

Las espinas de los erizos de mar son rígidas, fuertes y ligeras. Estas espinas están hechas de un mineral quebradizo llamado carbonato de calcio, que es similar a la cerámica sintética, pero el erizo tiene una tolerancia mucho mayor al daño cuando recibe peso o fuerza. El equipo de Li probó este principio presionando mecánicamente las espinas, simulando el mismo tipo de condición bajo la cual podría necesitar resistir una cerámica de ingeniería. Las espinas de erizo de mar se deformaron con gracia bajo la fuerza ejercida sobre ellas, en contraste con la falla catastrófica de los sólidos celulares de cerámica sintética actuales. Este comportamiento de "fallo elegante" permite que las espinas de los erizos de mar resistan daños con una capacidad significativa de absorción de energía.

En el curso de esta investigación, el equipo de Li descubrió algunos secretos que le dan al erizo su capacidad para mantenerse unido durante la carga mecánica.

"Hay un par de secretos en las características estructurales de las espinas de los erizos de mar. Uno está relacionado con la conexión de las ramas", dijo Li. "El segundo es el tamaño de los poros".

Bajo un microscopio, el equipo de Li observó una arquitectura de ramas cortas interconectadas. Una red de nodos mantiene unidas estas ramas, y uno de los secretos de la tolerancia al daño del erizo es el equilibrio entre el número de nodos y ramas. Ese número es precisamente crítico porque los nodos con demasiadas ramas conectadas harán que la estructura se vuelva más frágil y quebradiza. Los nodos en la estructura porosa de las espinas de los erizos de mar están conectados a tres ramas en promedio, lo que significa que la red de ramas sufrirá una fractura inducida por flexión en lugar de una fractura inducida por estiramiento más catastrófica.

El segundo secreto radica en el tamaño de los espacios o poros entre las ramas. El equipo descubrió que los espacios dentro de la estructura porosa de las espinas de los erizos de mar son ligeramente más pequeños que el tamaño de las ramas. Esto significa que una vez que las ramas se fracturan, estas aberturas más pequeñas pueden bloquearlas en su lugar inmediatamente. Las ramas rotas se apilan una encima de la otra en los poros, creando una región densa que aún puede soportar la carga.

Los erizos de mar también tienen una morfología superficial diferente a la cerámica sintética. Las cerámicas celulares manufacturadas tienen muchos defectos microscópicos en sus superficies e internamente, lo que hace que estos materiales sean más susceptibles a fallas. Este no es el caso de la columna vertebral del erizo de mar, que tiene una superficie casi de vidrio, lisa hasta la escala nanométrica. Los defectos son puntos a partir de los cuales pueden comenzar los daños, y la falta de defectos significa la falta de ubicaciones propensas a fallar.

Li demostró esta idea con una hoja de papel. "Cuando intentas rasgar un trozo de papel que no está dañado, el papel se resiste a rasgarse. Sin embargo, si haces un pequeño desgarro en el costado del papel, el desgarro continuará desde ese punto dañado".

Con ramas, poros y una superficie lisa en juego, las espinas de erizo de mar livianas logran una alta resistencia y tolerancia al daño al distribuir uniformemente el estrés dentro de la estructura y absorber la energía de manera más eficiente.

Con este conocimiento, ¿podemos recrear la suavidad, la falta de defectos y las estructuras específicas de ramas y nodos necesarias para capitalizar los secretos del erizo de mar? En este momento, no podemos, porque los métodos actuales de procesamiento de cerámica no están del todo allí.

Las cerámicas fabricadas sintéticamente se forman típicamente en un proceso de dos pasos. El primer paso es crear la forma, y ​​el segundo es cocer la pieza para que la cerámica se endurezca, lo que le da la fuerza por la que es conocida. Los alfareros siguen este método cuando crean una olla y la calientan en un horno. También se utilizan procesos similares para la cerámica impresa en 3D, donde el paso de impresión 3D forma la forma y luego se necesita la cocción posterior para producir las piezas cerámicas finales.

Ese paso de cocción o sinterización es el más problemático para recrear la microestructura del erizo de mar porque el proceso de sinterización conduce a la formación de defectos microscópicos, lo que hace que la resistencia sea baja.

"En mi laboratorio, también estamos interesados ​​en cómo organismos como los erizos de mar forman estos sólidos celulares de cerámica natural", dijo Li. "Esperemos que algún día, no solo podamos integrar los principios de diseño de materiales a materiales cerámicos livianos bioinspirados, sino también las estrategias de procesamiento de materiales aprendidas de los sistemas naturales".

Susana Miller

540-267-4375