Los erizos de mar inspiran un nuevo cemento a prueba de fracturas

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Estructura de las espinas de los erizos de mar
UNIVERSITY OF KONSTANZ
Actualizado 30/11/2017 12:31:16 CET

   MADRID, 30 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Las espinas de los erizos de mar están hechas principalmente de frágil calcita, pero la naturaleza las endurece sustancialmente gracias a una arquitectura similar a una pared de ladrillo.

   Un equipo de investigación de Química y Física de la Universidad de Konstanz, en Alemania, dirigido por el profesor Helmut Cölfen, sintetizó con éxito el cemento a nivel nanométrico de acuerdo con este "principio de ladrillo y mortero". Durante este proceso, los científicos identificaron macro-moléculas que toman la función del mortero, fijando los bloques cristalinos entre sí a escala nanométrica, con los bloques ensamblados de manera ordenada.

   El objetivo es hacer que el cemento sea más duradero, según señalan los investigadores en un artículo sobre su trabajo que se publica en 'Science Advances'. "Nuestro cemento, que es significativamente más resistente a las fracturas que cualquier otro que se haya desarrollado hasta ahora, nos proporciona posibilidades de construcción completamente nuevas", añade Cölfen.

   Un pilar hecho de este cemento podría construirse de 8.000 metros de altura, o diez veces más alto que el edificio más elevado del mundo, antes de que el material en su base se destruyera por su peso. El acero normal, que tiene un valor de 250 megapascales, solo podía alcanzar los 3.000 metros de altura.

   En la nanociencia, la arquitectura de estilo de pared de ladrillo se puede comparar con el trabajo de un albañil: cada capa de ladrillo que se coloca se mantiene en su lugar por el mortero. El principio rector es aplicar capas duras, luego materiales blandos, duros y blandos; exactamente el principio que la naturaleza usa para hacer que las espinas de los erizos de mar sean tan resistentes.

EL PAPEL DEL CARBONATO DE CALCIO

   Cuando se aplica fuerza a la calcita quebradiza, su bloque cristalino se agrieta, sin embargo, la energía se transfiere a una capa suave desordenada. Dado que este material no tiene planos de escisión para rasgar, evita grietas adicionales. Una delgada sección de la espina del erizo de mar revela este principio estructural: los bloques cristalinos en una estructura ordenada están rodeados por un área amorfa más suave. En el caso del erizo de mar, este material es carbonato de calcio.

   Las conchas de mejillones o los huesos se construyen de la misma manera. "Nuestro objetivo es aprender de la naturaleza", dice Helmut Cölfen. El cemento en sí tiene una estructura desordenada: cada componente se adhiere a todos los demás, lo que significa que para que el cemento se beneficie verdaderamente de la mayor estabilidad que brinda la construcción de ladrillo y mortero, su estructura tendrá que reorganizarse a nivel nanométrico.

   Helmut Cölfen describe el proceso como "codificación de la resistencia a la fractura a nivel nanométrico". En este caso, significa identificar un material que se adhiere solo con nanopartículas de cemento y nada más en el cemento. Se identificaron aproximadamente diez combinaciones de péptidos cargados negativamente que se adhieren y unen bien los materiales.

   En colaboración con la Universidad de Stuttgart, en Alemania, el equipo pudo usar un haz de iones bajo un microscopio electrónico para cortar una microestructura con forma de barra del cemento nanoestructurado de tres micrómetros de tamaño. Esta microestructura se combinó con un micro manipulador. Tan pronto como se liberó, la microestructura volvió a su posición original.

   Así, pudieron calcularse los valores mecánicos en función de la deformación elástica de la microestructura. En función a estos cálculos, el cemento optimizado alcanzó un valor de 200 megapascales. En comparación: las conchas de mejillón, que son el estándar de oro en resistencia a la fractura, alcanzan un valor de 210 megapascales, que es solo un poco más alto. El hormigón comúnmente usado en la actualidad tiene un valor de entre 2 a 5 megapascales.

   Según explica Helmut Cölfen, "las personas tienen materiales de construcción mucho mejores que la calcita". "Si logramos diseñar las estructuras de los materiales y reproducir los planos de la naturaleza, también podremos producir muchos más materiales resistentes a las fracturas: materiales de alto rendimiento inspirados en la naturaleza".

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