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    As esponjas do mar permanecem fixas com âncoras que dobram, mas não quebram

    As âncoras que prendem as esponjas do mar da cesta de flores de Vênus ao fundo do oceano têm uma arquitetura interna que aumenta sua capacidade de se curvar. Crédito:Kesari Lab / Brown Universtiy

    As esponjas do mar conhecidas como cestos de flores de Vênus permanecem fixos ao fundo do mar com nada mais do que uma série de finas, âncoras semelhantes a cabelos feitas essencialmente de vidro. É um trabalho importante, e novas pesquisas sugerem que é a arquitetura interna dessas âncoras, conhecido como espículas de basália, que os ajuda a fazer isso.

    As espículas, cada um com cerca de metade do diâmetro de um cabelo humano, são feitos de um núcleo central de sílica (vidro) revestido com 25 cilindros de sílica finos. Visto em seção transversal, o arranjo se parece com os anéis de um tronco de árvore. O novo estudo realizado por pesquisadores da Escola de Engenharia da Universidade Brown mostra que, em comparação com espículas retiradas de uma espécie de esponja diferente que não tem a arquitetura de anel de árvore, as espículas da basália são capazes de dobrar até 2,4 vezes mais antes de quebrar.

    "Comparamos dois materiais naturais com composições químicas muito semelhantes, um dos quais tem essa arquitetura intrincada, enquanto o outro não, "disse Michael Monn, um estudante de pós-graduação da Brown University e primeiro autor da pesquisa." Embora as propriedades mecânicas das espículas tenham sido medidas no passado, este é o primeiro estudo que isola o efeito da arquitetura nas propriedades das espículas e quantifica como a arquitetura aumenta a capacidade das espículas de dobrar mais antes de quebrar. "

    Essa flexibilidade provavelmente permite que as espículas se entrelaçam no lodo do fundo do mar, ajudando a garantir a fixação segura da esponja. Uma melhor compreensão de como essa arquitetura de espícula interna funciona pode ser útil no desenvolvimento de novos materiais feitos pelo homem, dizem os pesquisadores.

    A pesquisa é publicada no Jornal do comportamento mecânico de materiais biomédicos .

    As finas espículas da basália da esponja da cesta de flores de Vênus podem ser vistas na base do esqueleto. Crédito:Kesari Lab / Brown University

    Quando o co-autor do estudo Haneesh Kesari, professor assistente na Escola de Engenharia de Brown, vi pela primeira vez a arquitetura interna das espículas da basália, ele ficou imediatamente intrigado com a consistência e regularidade do padrão. "Parecia uma figura de um livro de matemática, " ele disse.

    Desde então, Kesari tem trabalhado para entender o significado da arquitetura. Em 2015, Kesari, Monn e vários colegas publicaram uma análise mostrando que o arranjo das camadas concêntricas das espículas - que gradualmente diminuem de espessura do centro para o exterior - é matematicamente ideal para maximizar a força das espículas.

    Este último estudo é um teste mais direto de uma propriedade que os pesquisadores acreditam ser importante para as âncoras de espícula:tensão de falha de flexão, que é a extensão em que algo pode dobrar sem quebrar.

    "Intuitivamente, faz sentido que as espículas seriam melhores âncoras se pudessem se torcer no lodo ", Disse Monn. "Isso os tornaria muito mais difíceis de puxar do que se fossem fixados em linha reta. A propriedade mecânica mais associada a essa funcionalidade desejável seria a deformação por ruptura por dobra."

    Para o estudo, os pesquisadores usaram um aparelho projetado especificamente para testar até que ponto as espículas podem dobrar. As espículas são colocadas em um palco com uma lacuna no meio. Uma pequena cunha é então baixada sobre a espícula, que o curva para baixo na lacuna. Uma câmera na lateral do dispositivo tira fotos, fornecendo medidas precisas de até que ponto as espículas se dobram antes de se quebrarem.

    As espículas da cesta de flores de Vênus (em cima) podem dobrar muito mais do que as espículas de esponja de puffball (em baixo). Crédito:Kesari Lab / Brown University

    Monn e Kesari usaram o dispositivo para testar as espículas de basália dos cestos de flores de Vênus, bem como espículas de uma espécie diferente - a esponja laranja puffball. Os dois conjuntos de espículas têm aproximadamente os mesmos diâmetros e uma composição de sílica essencialmente idêntica. Mas as espículas de puffball não têm a arquitetura interna dos cestos de flores. Portanto, qualquer diferença na deformação de flexão entre os dois poderia ser atribuída à arquitetura.

    Os experimentos mostraram que as espículas da cesta de flores podiam dobrar 140% mais do que as espículas de puffball.

    "O grau de curvatura das espículas foi bastante surpreendente, visto que são essencialmente feitas de vidro", Disse Monn. Os engenheiros costumam usar um modelo chamado teoria da viga de Euler-Bernoulli para calcular o quanto uma viga dobrará sob uma carga, mas isso só se aplica quando a magnitude da dobra é muito pequena. As espículas provaram ser capazes de se curvar demais para a teoria acomodar.

    "O que isso diz é que as teorias clássicas que usamos para analisar testes mecânicos de materiais de engenharia podem não ser precisas quando lidamos com materiais biológicos, "Monn disse." Portanto, precisamos também mudar nossa abordagem de análise e não apenas copiar e colar o que temos usado para materiais de engenharia. "

    Monn espera que estudos como este forneçam os dados necessários para desenvolver modelos adequados para explicar as propriedades dessas estruturas naturais, e, eventualmente, fazer uso dessas estruturas para novos materiais feitos pelo homem.


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