Os humanos buscaram inspiração tecnológica nas escamas de peixes que remontam aos tempos antigos:os romanos, Egípcios, e outras civilizações vestiam seus guerreiros com armaduras de escamas, fornecendo proteção e mobilidade. Agora, usando técnicas avançadas de imagem de raios-X, Cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) caracterizaram as escalas de carpa em nanoescala, permitindo que eles entendam como o material é resistente à penetração, mantendo a flexibilidade.

Os pesquisadores usaram poderosos feixes de raios-X no Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab para observar como as fibras das escamas de carpa reagem quando o estresse é aplicado. Como eles escreveram em seu jornal, publicado recentemente no jornal Matéria , o que eles descobriram "pode ​​muito bem fornecer mais inspiração para o projeto de materiais estruturais sintéticos avançados com dureza e resistência à penetração sem precedentes".

"A estrutura dos materiais biológicos é absolutamente fascinante, "disse o autor principal Robert Ritchie, da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, que chefiou este trabalho com Marc Meyers, professor de nanoengenharia e engenharia mecânica na UC San Diego. "Gostamos de imitar essas propriedades em materiais de engenharia, mas o primeiro passo é ver como a natureza faz isso. "

As escamas de peixe têm uma casca externa dura com uma camada interna mais macia que é dura e dúctil. Quando algo como os dentes de um predador tentam afundar nas escamas, a casca externa resiste à penetração, mas a interna tem que absorver todo o excesso de carga para manter a escala inteira. Como isso faz? Acontece que as fibras da escala, que é feito de colágeno mais minerais, estão em uma orientação torcida, chamada de estrutura Bouligand. Quando o estresse é aplicado ao material, as fibras giram em sequência para absorver o excesso de carga.

"Chama-se reorientação adaptativa. É como um material inteligente, "disse Ritchie, que também é professor de ciência de materiais e engenharia na UC Berkeley. "Usando uma técnica chamada espalhamento de raios-X de pequeno ângulo, podemos acompanhar isso em tempo real usando o síncrotron. Nós o irradiamos com raios-X, e podemos realmente ver as fibras girando e se movendo. "

O colágeno que constitui a pele humana, por outro lado, é "tudo bagunçado como uma tigela de espaguete, mas pode se desfazer e se alinhar para absorver energia, o que torna a pele incrivelmente resistente a rasgos, "Ritchie disse. A estrutura de Bouligand na escama de carpa é muito mais organizada, mas ainda contribui para um mecanismo de endurecimento muito eficaz.

A outra característica notável de uma escama de carpa é o gradiente entre as camadas duras e macias. "Se estivéssemos fazendo isso como uma armadura, teríamos uma interface entre o material duro e o macio. A interface é invariavelmente um local onde começam as rachaduras e falhas, "disse Ritchie, um especialista em como os materiais falham. “Do jeito que a natureza faz:em vez de ter essas interfaces onde há descontinuidade entre um material e outro, a natureza faz um gradiente perfeito do material duro para o macio (mais duro). "

Trabalhando em colaboração com os pesquisadores da UC San Diego, a equipe já estudou o pirarucu, um peixe de água doce da Amazônia cujas escamas são tão resistentes que são impenetráveis ​​para a piranha, bem como outras espécies. Para este estudo, eles escolheram a carpa, uma versão moderna do antigo peixe celacanto, também conhecido por ter escamas que atuam como armadura.

Agora que os mecanismos de deformação e falha das escamas da carpa foram caracterizados, tentar reproduzir essas propriedades em um material de engenharia é o próximo desafio. Ritchie observou que os avanços na impressão 3-D podem fornecer uma maneira de produzir gradientes da mesma forma que a natureza, e assim fazer um material que seja duro e dúctil.

"Assim que tivermos um melhor controle sobre como manipular a impressão 3-D, podemos começar a fazer mais materiais à imagem da natureza, " ele disse.