EAFIT y Purdue investigan materiales resistentes inspirados en la naturaleza

“La naturaleza posiblemente no tenga el mejor enfoque porque trabaja por ensayo y error. Sin embargo, han sido cientos de millones de años de experiencia y, a partir de lo que ya ha pasado en esos entornos, podemos aportar en procesos de diseño y de manufactura”, opina Nicolás Guarín Zapata, egresado de Ingeniería Física y de la maestría en Ingeniería de EAFIT, e integrante del Laboratorio de Modelamiento Computacional a Multi-escala de la Universidad Purdue (Estados Unidos).

Ese es el punto de partida de la investigación sobre resistencia de materiales, basada en el Stomatopoda o camarón mantis, que adelantan desde hace tres años EAFIT y Purdue,  en la que se busca estudiar la estructura de las tenazas de ese animal para obtener dicho material de manera artificial y poder crear objetos con esa misma resistencia. 

De esa forma, el profesor Pablo Zavattieri, de la institución norteamericana, se encarga del estudio de la microestructura de ese material para tratar de explicar por qué resiste esos impactos sin dañarse, mientras que EAFIT trabaja desde el punto de propagación de ondas, debido a que una vez se genera el impacto se irradian unas ondas de esfuerzo que, aunque en teoría deberían dañar dicha estructura, no lo hacen. Esto con miras a producir materiales artificiales que se comporten de manera similar. 

“Estudiamos el camarón mantis desde el punto de vista de la resistencia del material, debido a que este ataca la presa a través de impacto y las tenazas no se dañan, a pesar de las fuerzas tan altas que imprimen. Hay mucha gente que está trabajando el tema, pero en ondas no ha habido publicaciones hasta el momento”, refiere Gómez Cataño. 

Sobre el estudio de la microestructura del material y su articulación con el componente de ondas, Guarín precisa que, a partir de estudios previos del profesor Zavattieri y su equipo, se propusieron algunos modelos para tratar de explicar cómo, a través de cierta disposición y combinación de estos materiales, es posible obtener capacidades importantes de resistir cargas dinámicas de alta intensidad.

“En particular se usaron conceptos que, en la actualidad, muestran una actividad importante en investigación como son los de materiales periódicos, brechas de frecuencias y algunas propiedades anómalas que se pueden lograr en los mismos. Estos se denominan metamateriales”, indica.

De acuerdo con Nicolás Guarín, el profesor Zavattieri ya había estudiado el comportamiento mecánico del nácar (madreperla) que está hecho de pequeñas placas hexagonales de una forma de carbonato de calcio (aragonita), y que están ubicadas formando planos que tienen un material orgánico como quitina en el medio.

“Los estudios sobre el nácar han mostrado que tiene una alta resistencia a la fractura (o tenacidad)en comparación con los materiales que lo constituyen, como el carbonato de calcio. La razón de este incremento en la tenacidad se debe a la arquitectura al interior del material, que se parece a una pared de ladrillos y cemento. Su mecanismo de disipación de energía es a través del deslizamiento de los bloques sobre la matriz orgánica”, afirma.

Y es que, a pesar de que el nácar es un material tan resistente, Guarín explica que algunos investigadores notaron que había un grupo de animales que eran capaces de romperlo usando su apéndice torácico, como los crustáceos del orden Stomatopoda.

“Nos interesan las especies que tienen el apéndice en forma de garrote y lo usan de esta manera. Una especie es la Odontodactylus scyllarus o tamarutaca, como se denomina en castellano. Pero al ser el nácar un material tan resistente nació la curiosidad por estudiarlo al interior de la tamarutaca y ver qué es lo que hace que este pueda romper las caparazones de diversos animales”, comenta Guarín.

En el Laboratorio de Modelamiento Computacional a Multi-escala, grupo dirigido por el profesor Zavattieri, se estudian desde hace cuatro años aspectos de este material y se han publicado varios artículos, mientras que, según el profesor Juan David Gómez, EAFIT está próxima a publicar el primer artículo en el que se especulará acerca del origen de la resistencia del material.  

“Todavía estamos muy lejos de poder responder la pregunta sobre el origen de la resistencia del material de manera categórica, pero se puede decir que se trata de la participación colectiva de muchos mecanismos y materiales. Uno de estos, posiblemente responsable por la respuesta ante cargas vibratorias, es la distribución periódica de estos materiales. Es como si la naturaleza hubiera optado por una solución inteligente y no de usar simplemente estructuras altamente resistentes”, plantea Nicolás Guarín.

En cuanto a los principales hallazgos de la investigación, Guarín anuncia que los modelos propuestos indican que, a través de alteraciones en la forma y disposición de los materiales constitutivos del garrote, la estructura de este parece disponer de ciertas bandas de frecuencias en las que no es posible que las ondas se propaguen.

“Esto significa que una onda al encontrarse con esta configuración de material comienza a perder intensidad hasta disiparse por completo. Lo interesante es que estas brechas de frecuencia parecen coincidir con las existentes en los impactos impartidos a las presas de las cuales estos se alimentan. Claramente se trata de un interesante caso de optimización por parte de la naturaleza”.

Para Juan David, algunos de los usos de este material serían por ejemplo en cascos, sistemas de protección o en la aeronáutica, aunque también se podría pensar en otras aplicaciones.

“Un problema explorado en la actualidad es el de cómo aislar ondas elásticas producidas por otros fenómenos, como ondas sísmicas. ¿Será posible escalar algunas de las ideas sugeridas por la microestructura del Stomatopoda a este tipo de problemas que ocurren en otras escalas de tamaño y tiempo? Esa es precisamente la idea de la bioinsipración”, concluye Guarín.