La rigidez, la fortaleza y la resistencia a la fractura son una combinación antagónica que resulta difícil de lograr en los materiales compuestos hechos por el hombre.

En contraste, los compuestos biológicos, como el nácar, acceden a esta combinación de propiedades mediante el empleo de estructuras jerárquicas y complejas interacciones químicas y físicas.

Complejidad estructural

En la investigación de compuestos bioinspirados, se ha trabajado para identificar los principios de diseño subyacentes de estos materiales biológicos, a fin de lograr su traducción a futuros compuestos de ingeniería. Sin embargo, la complejidad estructural de estos compuestos biológicos dificulta la tarea.

Una sección transversal de la imitación de nácar muestra que a temperaturas de 800 grados Celsius y más, se forman protuberancias entre las plaquetas que solidifican el material.

El nácar natural, también conocido como madreperla, es uno de los materiales naturales más duros, estables y rígidos, propiedades que siempre han fascinado a los investigadores.

Bajo el microscopio electrónico, la estructura del nácar es calificada como exquisita; parece una pared de ladrillos en miniatura, compuestos por pequeñas placas de carbonato de calcio, apiladas una sobre otra, interconectadas con puentes minerales y rellenadas con un mortero compuesto por una sustancia orgánica.

Investigadores del Grupo de Materiales Complejos del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) han estado investigando e imitando esta estructura.

Los científicos han desarrollado un proceso especial para producir materiales que imitan las propiedades de los nácares: utilizan placas de óxido de aluminio de unas pocas docenas de micrómetros y una resina epoxi que actúa como un cemento para juntas.

En un campo magnético giratorio, los investigadores alinean las placas magnetizadas disueltas en solución acuosa, y bajo alta presión y temperaturas de alrededor de 1000 grados Celsius, solidifican el material con la adición de una resina. Esto da como resultado un material compuesto con una microestructura similar a la madreperla natural.

Mayor fortaleza

Para hacer que la madreperla artificial sea aún más estable y más resistente, el equipo recubrió las placas con óxido de titanio, el cual comienza a fundirse a alrededor de 800 grados Celsius, que es un punto de fusión más bajo que el óxido de aluminio. Las gotas de óxido de titanio que se forman en la superficie de las plaquetas se convierten en puentes que fortalecen toda la estructura.

Las propiedades de la madreperla siempre han fascinado a los investigadores. La imagen: vista microscópica de una superficie de nácar fracturada.

La densidad de estos puentes de titanio puede ser ajustada con precisión y producir nácar artificial con las propiedades físicas deseadas.

Con la ayuda de un modelo, los investigadores calcularon qué condiciones de presión y temperatura promueven la formación de las propiedades respectivas, las cuales son comparables en rigidez a los compuestos de fibra de carbono.

Al combinar rigidez, fortaleza y resistencia en este tipo de material de inspiración biológica, el equipo ha establecido un nuevo récord mundial.

Los investigadores señalan que con esta tecnología se pueden producir materiales excepcionales con propiedades personalizadas, con potenciales y promisorias aplicaciones en la industria de la construcción, la aeronáutica y la exploración espacial, entre otros.

Referencia: Quantifying the role of mineral bridges on the fracture resistance of nacre-like composites. PNAS, 2018. https://doi.org/10.1073/pnas.1805094115