Una estructura de Bouligand es una microestructura en capas y rotada que se asemeja a la madera contrachapada, que se encuentra con frecuencia en materiales evolucionados naturalmente. [1] Consiste en múltiples láminas o capas, cada una compuesta de fibras alineadas . Las láminas adyacentes rotan progresivamente con respecto a sus vecinas. [2] Esta estructura mejora las propiedades mecánicas de los materiales, especialmente su resistencia a la fractura, y permite la resistencia y la isotropía en el plano . Se encuentra en varias estructuras naturales, incluida la escama cosmoide del celacanto y la maza dáctila del camarón mantis y muchos otros estomatópodos . En física, estas estructuras fueron concebidas en 1869 por Ernest Reusch [3] y se denominan pilas de Reusch. [4]
Debido a sus deseables propiedades mecánicas, hay intentos en curso de replicar las disposiciones de Bouligand en la creación de materiales bioinspirados resistentes a fallas. Por ejemplo, se ha demostrado que los compuestos en capas (como CFRP ) que utilizan esta estructura tienen propiedades de impacto mejoradas. [5] Sin embargo, replicar la estructura en escalas de longitud pequeñas es un desafío, y el desarrollo y avance de las técnicas de fabricación mejora continuamente la capacidad de replicar esta deseable estructura.
Se cree que la estructura Bouligand presente en muchos materiales naturales confiere una gran tenacidad y resistencia a la fractura al material del que forma parte. Los mecanismos por los que se produce este endurecimiento son muchos y todavía no se ha identificado ningún mecanismo como la fuente principal de la tenacidad de la estructura. Se han realizado tanto trabajos computacionales como experimentos físicos para determinar estas vías por las que la estructura resiste la fractura, de modo que se puedan aprovechar las estructuras sintéticas resistentes de Bouligand. [7] [8] [9] [10]
La deflexión de grietas de una forma u otra se considera el principal mecanismo de endurecimiento en la estructura bouligand. [6] [8] [11] La deflexión puede tomar la forma de inclinación de grietas y puenteo de grietas. [11] En el primero, la grieta se propaga a lo largo de la dirección del plano de la fibra; en la interfaz con el material de la matriz. [11] Una vez que la tasa de liberación de energía en la punta es suficientemente baja, la grieta ya no puede propagarse a lo largo de la dirección de la fibra y debe cambiar a puenteo de grietas. [11] Este modo implica que la grieta cambie de dirección drásticamente y corte las fibras para alcanzar un nuevo plano para propagarse. [11] Una combinación de inclinación de grietas y puenteo de grietas en la estructura bouligand da como resultado una grieta altamente distorsionada y agrandada. [11] Esto hace que la nueva área de superficie creada por la grieta que se propaga aumente drásticamente en relación con una grieta recta; haciendo que una mayor propagación sea cada vez menos favorable y, a su vez, endureciendo el material. [6] [11]
Además de la deflexión de grietas, que simplemente hace que una sola grieta cambie de dirección y siga un camino más tortuoso, la estructura bouligand también puede tolerar la formación de múltiples grietas y evitar que se fusionen. [6] Esto a veces se denomina torsión de grietas. [6]
La deflexión, inclinación, formación de puentes y torsión de las grietas va acompañada de una mezcla de modos de fractura. [8] Los modos de fractura incluyen la apertura, el esfuerzo cortante en el plano y el esfuerzo cortante fuera del plano. La mezcla de estos modos a través de la formación de puentes, la inclinación y la torsión de las grietas complica enormemente los campos de tensión que experimenta el material, lo que ayuda a disipar la fuerza en cualquier plano del laminado. [8]
La resistencia al impacto de los materiales se diferencia del endurecimiento en general por la velocidad a la que se aplica la tensión. En las pruebas de impacto, la velocidad a la que se aplica tensión o deformación a la muestra es mucho mayor que en las denominadas pruebas estáticas. En películas de nanocelulosa sintética formadas en estructuras de bouligand, se demostró que a medida que aumentaba el ángulo de inclinación, la densidad caía rápidamente a un valor aproximadamente constante, ya que las películas no podían apilarse ordenadamente unas sobre otras. [7] Este valor aumenta de nuevo entre 42 y 60 grados y se reestabiliza en ángulos más altos. [7] Esta reducción de la densidad va acompañada de un marcado aumento tanto de la velocidad límite balística específica como de la absorción de energía específica. [7] También se ha demostrado que los ángulos relativamente pequeños de 18 a 42 grados que se correlacionan con la densidad más baja para la estructura de bouligand tienen una mejor resistencia al impacto y una mejor adsorción de energía que las estructuras sintéticas cuasi isotrópicas tradicionales hechas para la resistencia al impacto. [7] Este rango de ángulos optimizado experimentalmente para la resistencia al impacto es consistente con el rango de ángulos entre capas de fibra que se encuentran en ejemplos naturales de la estructura bouligand. [12] [13]
Otro medio para reforzar la estructura de Bouligand es mediante el filtrado de ondas de corte. [13] La naturaleza periódica y jerárquica de la estructura de Bouligand crea un efecto de filtrado de ondas de corte que es especialmente eficaz durante cargas dinámicas de alta intensidad. A medida que se aplica la fuerza, las frecuencias específicas que están en corte no pueden transmitirse a través de la estructura en capas, lo que crea una brecha de banda en las energías transmitidas y disminuye la energía efectiva percibida por el sistema. El ángulo de paso de las capas, el grosor de las capas y el número de capas presentes en el material afectan las frecuencias que se filtran. [13]
El ajuste de la estructura de Bouligand durante la carga se ha medido utilizando dispersión de rayos X de ángulo pequeño ( SAXS ). Los dos efectos del ajuste son el cambio de ángulo entre las fibrillas de colágeno y el eje de tracción, y el estiramiento de las fibrillas de colágeno. Hay cuatro mecanismos a través de los cuales ocurren estos ajustes. [9]
Ψ se refiere al ángulo entre el eje de tensión y la fibrilla de colágeno. Los mecanismos 1 y 2 disminuyen Ψ. Los mecanismos 3 y 4 pueden aumentar Ψ, como en el caso de que la fibrilla se aleje del eje de tensión. Las fibrillas con un Ψ pequeño se estiran elásticamente. Las fibrillas con un Ψ grande se comprimen, ya que las láminas adyacentes se contraen de acuerdo con el coeficiente de Poisson , que es una función de la anisotropía de la deformación . [9]
La estructura de Bouligand más común que se encuentra en la naturaleza es la estructura de madera contrachapada retorcida, en la que existe un ángulo constante de desalineación entre las capas. Una variación poco común de esta estructura es la denominada estructura de Bouligand de "doble torsión", que se observa en el celacanto . Esta estructura utiliza pilas de dos como unidades que se tuercen entre sí en un ángulo de desalineación constante. Las dos capas de fibrillas de cada una de estas unidades en este caso se disponen de tal manera que su orientación de fibrillas es perpendicular entre sí. [8]
Se han observado las diferencias mecánicas entre la estructura de Bouligand simple y doblemente retorcida. [8] Se ha demostrado que la estructura de Bouligand doble es más rígida y resistente que la estructura de Bouligand simple más común. El aumento de la rigidez también va acompañado de una reducción de la flexibilidad. [8] La mayor resistencia se atribuye en parte a una adición a la estructura de "fibrillas entre haces" que recorren hacia arriba y hacia abajo la pila de capas, perpendiculares a los planos de fibras retorcidas. [8] Estos haces de fibras ayudan a mantener la estructura unida al aumentar en gran medida la energía necesaria para el deslizamiento entre fibrillas. [8] Estos haces se combinan con la naturaleza de doble torsión de la disposición de la madera contrachapada, que cambia la dirección en la que una grieta querría crecer drásticamente con cada capa. [8]
También se ha observado que se puede formar una estructura similar a la estructura de Bouligand de torsión simple, pero con un ángulo de desalineación no constante. Todavía no está claro cómo esta diferencia estructural particular afecta las propiedades mecánicas. [9]
El exoesqueleto de los artrópodos es altamente jerárquico. Las fibrillas de quitina polisacárido se organizan con proteínas para formar fibras, las fibras se fusionan en haces, y luego los haces se organizan en planos horizontales que se apilan helicoidalmente, formando la estructura de Bouligand de madera contrachapada retorcida. [14] Las estructuras de Bouligand repetidas forman la exocutícula y la endocutícula. [14] Se ha descubierto que las diferencias en la estructura de Bouligand de la exocutícula y la endocutícula son críticas para analizar las propiedades mecánicas de ambas regiones.
Los artrópodos tienen exoesqueletos que les proporcionan protección frente al medio ambiente, soporte de carga mecánica y estructura corporal. La capa exterior, llamada epicutícula , es fina y cerosa y es la principal barrera impermeabilizante. Debajo se encuentra la procutícula, que está diseñada como el principal elemento estructural del cuerpo. La procutícula está formada por dos secciones, la exocutícula en la parte exterior y la endocutícula en la parte interior. La exocutícula es más densa que la endocutícula; la endocutícula constituye aproximadamente el 90 % del volumen del exoesqueleto. Tanto la exocutícula como la endocutícula están hechas con una estructura de Bouligand. [14]
En los exoesqueletos de cangrejo , la calcita y el carbonato de calcio amorfo son los minerales depositados en la matriz jerárquica de quitina-proteína. [14] El cangrejo oveja ( Loxorhynchun grandis ), como otros cangrejos, tiene un exoesqueleto altamente anisotrópico. [14] El espaciamiento entre las láminas de Bouligand del plano (xy) en la exocutícula del cangrejo es de ~3-5 μm, mientras que el espaciamiento interlamelar en la endocutícula es mucho mayor, alrededor de 10-15 μm. [14] El espaciamiento más pequeño de la exocutícula da como resultado una mayor densidad de láminas en la exocutícula. Hay una mayor medida de dureza en la exocutícula que en la endocutícula, lo que se atribuye a un mayor contenido mineral en la exocutícula. [14] Esto proporciona una mayor resistencia al desgaste y dureza en la superficie del exoesqueleto, lo que le da al cangrejo un mayor grado de protección. Bajo estrés, los planos de Bouligand fallan a través de mecanismos normales de fractura o separación de haces. [14] La interfaz exocutícula-endocutícula es la región más crítica y típicamente donde ocurre la falla por primera vez, debido a la estructura anisotrópica y la discontinuidad de los planos de Bouligand y el espaciamiento en esta interfaz. [14]
En la dirección z, existen túbulos porosos normales a los planos de Bouligand que penetran el exoesqueleto. La función de estos túbulos es transportar iones y nutrientes al nuevo exoesqueleto durante el proceso de muda . La presencia de estos túbulos, que tienen una estructura helicoidal, da como resultado una región de estrechamiento dúctil durante la tensión. Un mayor grado de ductilidad aumenta la tenacidad del exoesqueleto del cangrejo.
El Homarus americanus (langosta americana) es un artrópodo con una estructura de exoesqueleto similar a los cangrejos anteriores, y con tendencias similares al comparar las endocutículas y las exocutículas. Una nota importante para las propiedades estructurales/mecánicas del exoesqueleto de la langosta es el impacto de la estructura de panal formada por los planos de Bouligand. [15] Los valores de rigidez para la exocutícula en la langosta varían de 8,5 a 9,5 GPa, mientras que la endocutícula varía de 3 a 4,5 GPa. [15] Se cree que los gradientes en la red de panal, especialmente en la interfaz entre la endocutícula y la exocutícula, son la razón de esta discrepancia entre las estructuras. [15]
Los estomatópodos tienen apéndices torácicos que se utilizan para cazar presas. Los apéndices pueden tener forma de lanza o de maza, según la especie. [13] El camarón mantis con un apéndice en forma de maza, o "maza dáctila", lo utiliza para romper el caparazón de presas como moluscos o cangrejos. [16] El camarón mantis pavo real es una especie de camarón mantis que tiene una maza dáctila. Las mazas son capaces de soportar fracturas bajo las ondas de alta tensión asociadas con los golpes contra las presas. Esto es posible debido a la estructura multirregional de las mazas, que incluye una región que incorpora una estructura de Bouligand. [13]
La región superior y exterior del palo se denomina región de impacto. La región de impacto está formada por zonas periódicas y una región estriada. Las regiones periódicas se encuentran debajo de la región de impacto, en el interior del palo. La región estriada está presente en los lados del palo, rodeando los bordes de la región periódica. [13]
La región de impacto tiene un espesor de aproximadamente 50 a 70 μm y está hecha de hidroxiapatita altamente cristalizada . La región periódica está dominada por una fase de carbonato de calcio amorfo. [17] Rodeadas por la fase mineral amorfa se encuentran fibrillas de quitina, que forman una estructura de Bouligand. La disposición en capas de la región periódica corresponde a una rotación completa de 180° de las fibras. La región de impacto tiene una estructura similar, pero con una distancia de paso mayor (longitud entre rotaciones completas de 180°). [13] La región estriada está hecha de haces de fibras de quitina paralelos altamente alineados. [17]
El apéndice de la maza puede soportar una carga de alta intensidad mediante el filtrado de ondas de corte debido a la periodicidad y quiralidad de su estructura de Bouligand. [13] El crecimiento catastrófico de grietas se ve obstaculizado de dos maneras. Cuando el crecimiento de la grieta sigue la estructura helicoidal entre las capas de fibras de quitina, se produce una gran superficie por longitud de grieta. Por lo tanto, hay una gran energía total disipada durante el impacto de la maza y la propagación de la grieta. Cuando las grietas se propagan a través de capas vecinas, el crecimiento se ve obstaculizado debido a la oscilación del módulo. La estructura de Bouligand tiene una rigidez anisotrópica, lo que da como resultado una oscilación del módulo elástico a través de las capas. La tolerancia general al daño se mejora, y la propagación de la grieta depende de la dirección de crecimiento en relación con la orientación de las fibras de quitina. [17]
Las escamas externas del pez Arapaima están diseñadas para resistir las mordeduras de las pirañas. Esto se logra mediante la arquitectura jerárquica de las escamas. La delgadez de las escamas y su disposición superpuesta permiten flexibilidad durante el movimiento. Esto también influye en cuánto se doblará una sola escama cuando un depredador ataque. [9]
En la especie Arapaima gigas , cada escama tiene dos regiones estructurales distintas, lo que da como resultado una escama resistente a la perforación y la flexión. La capa exterior tiene un grosor de aproximadamente 0,5 mm y está altamente mineralizada , lo que la hace dura y promueve la fractura de los dientes de los depredadores. La capa interna tiene un grosor de aproximadamente 1 mm y está hecha de fibrillas de colágeno mineralizadas dispuestas en una estructura de Bouligand. [9] En las fibrillas, las moléculas de colágeno están incrustadas con nanocristales minerales de hidroxiapatita. Las fibrillas de colágeno se alinean en la misma dirección para formar una capa de láminas de colágeno, de aproximadamente 50 μm de grosor. Las láminas se apilan con una desalineación en la orientación, creando una estructura de Bouligand. [9]
Cuando las escamas se doblan durante un ataque, la tensión se distribuye debido a la morfología corrugada. La mayor deformación está diseñada para ocurrir en la capa central interna. La capa interna puede soportar más deformación plástica que la frágil capa externa. Esto se debe a que la estructura de Bouligand puede ajustar sus capas lamelares para adaptarse a las fuerzas aplicadas. [9]
El ajuste de la estructura de Bouligand durante la carga se ha medido utilizando dispersión de rayos X de ángulo pequeño ( SAXS ). Los cuatro mecanismos a través de los cuales se producen los ajustes son la rotación de las fibrillas, el estiramiento de las fibrillas de colágeno, la apertura por tracción entre las fibrillas y la rotación de las láminas simpáticas. [9]
Las fibrillas que se adaptan al entorno de carga mejoran la flexibilidad de las láminas. Esto contribuye a la resistencia a la flexión de las escamas y, por lo tanto, aumenta la resistencia a la fractura. En conjunto, la capa de escamas externa es dura y quebradiza , mientras que la capa interna es dúctil y tenaz . [9]
Se encontró una estructura Bouligand similar en las escamas de la carpa común ( Cyprinus carpio ). [18] En comparación con la arapaima, el contenido mineral en las escamas de la carpa es menor, mientras que exhibe una mayor disipación de energía total en pruebas de tracción, así como una mayor extensibilidad de las fibrillas.
La fabricación aditiva es una forma de industria emergente y popular que permite geometrías complejas y características de rendimiento únicas para las piezas de fabricación aditiva. [19] El principal problema con las propiedades mecánicas de las piezas de fabricación aditiva es la introducción de heterogeneidades microestructurales dentro de las capas de material depositado. Estos defectos, que incluyen porosidad e interfaces únicas, dan como resultado una anisotropía de la respuesta mecánica de la pieza de trabajo, lo cual es indeseable. Para combatir esta respuesta mecánica anisotrópica , se utiliza una trayectoria de herramienta inspirada en Bouligand para depositar el material en una estructura de Bouligand retorcida. [19] Esto da como resultado un mecanismo de transferencia de tensión que utiliza heterogeneidades entre capas como puntos de deflexión de tensión, reforzando así la pieza de trabajo en estos puntos. Las trayectorias de herramientas de Bouligand se utilizan específicamente en la fabricación aditiva por deposición de cemento/cerámica. Se ha observado que las piezas de fabricación aditiva inspiradas en Bouligand se comportan mejor que los elementos fundidos bajo tensión mecánica. [19]
Un parámetro crítico en el desarrollo de la trayectoria de la herramienta inspirada en Bouligand es el ángulo de paso. El ángulo de paso γ es el ángulo en el que se forma la estructura helicoidal. [7] El tamaño relativo del ángulo de paso es crítico para la respuesta mecánica de una pieza de herramienta AM inspirada en Bouligand. Para γ < 45° (ángulo pequeño), se observa crecimiento de grietas interfaciales y microfisuras interfaciales. Para 45° < γ < 90° (ángulo de paso grande), se observa crecimiento de grietas dominante a través del sólido. [19]
Las conchas de cangrejo que ya tienen la estructura Bouligand se pueden utilizar como plantillas para electrodos de batería nanoestructurados. Las conchas de cangrejo son una alternativa sostenible y de bajo costo a los materiales de partida y métodos de procesamiento para baterías nanoestructuradas que de otro modo serían costosos. Las conchas de cangrejo tienen una estructura Bouligand compuesta de fibras de quitina altamente mineralizadas. La estructura se puede utilizar como una bioplantilla para hacer nanofibras de carbono huecas. Los materiales de batería deseados, a menudo azufre y silicio, se pueden contener en estas fibras huecas para crear los cátodos y ánodos. [20]
Los nanocristales de celulosa se autoensamblan en películas delgadas helicoidales, y el ángulo de inclinación entre las capas se puede modificar mediante un procesamiento con solvente. Las películas de nanocelulosa resultantes, que tienen una estructura de Bouligand, se pueden manipular para lograr varios efectos en las propiedades del material. Estas películas de nanocelulosa son resistentes a los impactos, sostenibles y multifuncionales y se pueden utilizar en varias aplicaciones, como electrónica extensible, recubrimientos protectores, gafas y chalecos antibalas. [7]