Esqueleto de vidrio

Una esponja de vidrio que se encuentra en las profundidades del Pacífico muestra una notable capacidad para resistir la compresión y la flexión, además de otras propiedades inusuales de la esponja.

por Elena Renken

Esqueleto de vidrio

En 1841, el biólogo inglés Richard Owen se maravilló del intrincado esqueleto de una nueva especie de esponja marina que se encuentra cerca de Filipinas. Se parecía a “una delicada cornucopia”, escribió, tejida con “hilos rígidos, brillantes y elásticos, que se asemejaban a los más finos pelos de vidrio hilado”. De hecho, el esqueleto está hecho de vidrio, que el animal, Euplectella aspergillum , apodado “canasta de flores de Venus”, crea utilizando ácido extraído del agua de mar.

Los científicos todavía se maravillan con esta esponja 180 años después. Sus propiedades notables incluyen una longevidad asombrosa (se cree que algunas esponjas de vidrio viven muchos miles de años, lo que las coloca entre los animales más longevos) y la capacidad de canalizar la luz a través de sus hebras de sílice a la manera de la fibra óptica. Durante las últimas dos décadas, un grupo de biólogos, científicos de materiales e ingenieros de la Universidad de Harvard se ha centrado en la característica de la canasta de flores de Venus que atrajo a Owen: el intrincado diseño de su esqueleto de vidrio. Su trabajo reciente revela que el esqueleto es, por razones desconocidas, excepcionalmente fuerte, casi lo más indestructible posible para este tipo de estructura.

“Es una especie de santo grial del diseño de ingeniería”, dijo Dhruv Bhate, profesor asociado de ingeniería en la Universidad Estatal de Arizona que estudia la canasta de flores de Venus, pero no participa en el trabajo del equipo de Harvard.

La fuerza del esqueleto se deriva de su peculiar patrón de celosía, que intrigó por primera vez a la científica y química de materiales de Harvard Joanna Aizenberg hace unos 20 años. Katia Bertoldi , una de las coautoras de Aizenberg en los estudios recientes, también quedó cautivada por el patrón de celosía tan pronto como lo vio. “Es esta arquitectura periódica, pero no es simple”, dijo Bertoldi. Ella y sus colegas se preguntaron: “¿Por qué esta arquitectura en particular?”

Observaron que las vigas de vidrio que forman el esqueleto de la canasta de flores de Venus tienen mucho en común con las cerchas, los conjuntos de vigas que se utilizan para estabilizar puentes y rascacielos. Durante más de un siglo, el diseño preferido de los ingenieros para las cerchas ha sido una celosía resistente que consta de una rejilla cuadrada con diagonales que corren en ambas direcciones para brindar mayor soporte. “Hemos estado haciendo esto de la misma manera durante mucho, mucho tiempo”, dijo Matheus Fernandes , un estudiante de posgrado del equipo. Sin embargo, el esqueleto de la canasta de flores de Venus tiene pares de diagonales que corren en ambas direcciones en lugar de las diagonales individuales que se entrecruzan en un entramado típico. Estos pares están espaciados para que la cuadrícula parezca un tablero de ajedrez, con diagonales cruzando cada dos cuadrados.

Foto que muestra el sistema esquelético completo de la canasta de flores de Venus y un recuadro que muestra una parte ampliada del esqueleto.
Una vista ampliada del sistema esquelético muestra su patrón de celosía muy regular. Las celdas de la cuadrícula miden aproximadamente 2,5 milímetros de ancho.Matheus C. Fernandes y col.  / Revista Quanta

Los investigadores fabricaron y simularon por computadora una celosía basada en la esponja y la compararon con otras tres estructuras de celosía del mismo peso, incluido el patrón de celosía estándar. En simulaciones y experimentos, vieron que la celosía bioinspirada resistía la mayor cantidad de estrés, primero por la compresión en una dirección y luego por presiones opuestas en tres puntos en otra prueba, antes de romperse. En otras simulaciones, variaron el número de diagonales, así como su espaciado y grosor para encontrar la celosía que pudiera soportar la mayor compresión. Resultó ser el modelo de la esponja.

Con sus diagonales adicionales, la celosía de la esponja tiene más juntas que una armadura tradicional y menos distancia entre las juntas, lo que puede permitir que la estructura sostenga una mayor compresión antes de pandearse, dijo Fernandes. El equipo detalló sus hallazgos iniciales sobre la fuerza del esqueleto en Nature Materials en septiembre. Se están realizando “inmersiones más profundas” en diferentes aspectos de estos esqueletos vidriosos, según James Weaver , otro coautor.

Los investigadores también están buscando una patente para la celosía inspirada en esponjas que crearon. Teóricamente, agregar más fuerza a las estructuras arquitectónicas sin agregar más peso podría permitir puentes más largos, una infraestructura más liviana que sea más fácil de transportar o incluso una ingeniería más simplificada en vehículos con destino al espacio. “El proceso de prueba y error durante millones de años de evolución saca lo mejor” de los materiales, dijo Pablo Zavattieri , profesor de ingeniería civil en la Universidad de Purdue.

Sin embargo, en el caso de la canasta de flores de Venus, el propósito evolutivo de su incompresibilidad no está claro.

Infografía que muestra cuatro celosías diferentes, incluida una modelada sobre la esponja Euplectella aspergillum, que se deforma por compresión.
Matheus C. Fernandes y col.  / Revista Quanta

Las esponjas a menudo viven a miles de metros de profundidad donde la presión del agua es extrema, pero esta presión proviene de todas las direcciones, presionando los lados opuestos de las vigas de vidrio por igual y anulándose. La esponja no experimenta una “fuerza aplastante”, explicó Clint Penick , biólogo de la Universidad Estatal de Kennesaw en Georgia, por correo electrónico.

Penick dijo que la esponja necesita una estructura fuerte, sin embargo, para levantarse y filtrar el plancton del agua. También debe contener un par de camarones que a menudo habitan permanentemente en la esponja una vez que crecen demasiado para dejarla. (Estos ocupantes se han ganado el estatus de esponja como símbolo del amor eterno en Japón, donde se regala como regalo de bodas). Sus robustos esqueletos también pueden disuadir a los depredadores o prevenir daños por animales que podrían chocar con ellos, agregó Penick, aunque ninguno. de esto explica completamente su ultra-robustez.

La fuerza bruta no es todo lo que ofrece la canasta de flores de Venus. Las paredes de celosía de su esqueleto son solo uno de varios niveles de complejidad en su estructura. Acérquese para ver cómo sus fibras pueden desplazarse levemente dentro de sus paredes reticulares, o cómo su disposición de proteínas y moléculas de sílice detiene las fracturas en su camino . Aléjate para examinar cómo el esqueleto de encaje permite que la esponja viva filtre el agua. El equipo de Bhate está investigando la forma en que algunos de los hilos no están completamente unidos a los demás, lo que permite la flexibilidad del esqueleto, y siente curiosidad por la forma en que la estructura resistiría la torsión.

“Es una de esas cosas en las que puede pasar toda la vida y aún no ha replicado todas esas capacidades”, dijo Bhate. “Y por eso es emocionante”.

Fuente: https://www.quantamagazine.org/the-curious-strength-of-a-sea-sponges-glass-skeleton-20210111/

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