p Ling Li, professor assistente de engenharia mecânica na Virginia Tech, encontrou insights sobre a construção de cerâmicas cada vez mais resistentes ao estudar as conchas dos moluscos bivalves. p Esta perspectiva é formada olhando para a capacidade dos blocos de construção minerais básicos na casca para antecipar fraturas, em vez de se concentrar apenas na forma e na química da estrutura. Os resultados das descobertas de seu grupo foram publicados em 10 de novembro, 2020, emissão de Nature Communications .

p A equipe de Li conduziu uma análise aprofundada das estruturas microscópicas das conchas de moluscos de concha de caneta, bivalves nativos do Caribe. As conchas desses animais consistem em duas camadas, uma camada interna de nácar e uma camada externa de cor marrom. A camada interna de nácar, também conhecido como madrepérola, é frequentemente iridescente devido à sua estrutura de camadas nanoscópica regular, semelhante ao mecanismo de coloração de muitas asas de mosca-garrafa.

p A equipe de Li concentrou sua atenção na camada externa, que é composto por cristais de calcita em forma de prisma dispostos em um padrão de mosaico. Entre os cristais minerais adjacentes, muito fino (aproximadamente 0,5 micrômetro, menos de um centésimo do tamanho de um cabelo humano) interfaces orgânicas estão presentes que unem os cristais. Os cristais de calcita medem aproximadamente meio milímetro de comprimento e 50 micrômetros de diâmetro, assemelhando-se a prismas alongados.

p Ao contrário de muitos cristais geológicos ou sintéticos, onde os átomos dentro de seus grãos cristalinos estão perfeitamente organizados de forma periódica, os cristais de calcita nas conchas da caneta contêm muitos defeitos nanoscópicos, principalmente composto de substâncias orgânicas.

p "Você pode considerar a cerâmica biológica, neste caso, os cristais de calcita das conchas da caneta, como uma estrutura composta, onde muitas inclusões nanométricas são distribuídas dentro de sua estrutura cristalina, "disse Li." Isso é especialmente notável porque o próprio cristal de calcita ainda é um único cristal. "

p Normalmente, a presença de defeitos estruturais significa um local de falha potencial. É por isso que a abordagem normal é minimizar as descontinuidades estruturais ou concentrações de tensão em estruturas de engenharia. Contudo, A equipe de Li mostra que o tamanho, espaçamento, geometria, orientação, e a distribuição desses defeitos em nanoescala dentro do biomineral é altamente controlada, melhorando não apenas a resistência estrutural, mas também a tolerância a danos por meio de rachaduras e fraturas controladas.

p Quando essas cápsulas são submetidas a uma força externa, o cristal minimiza o escoamento de plástico, impedindo o movimento de deslocamento, um modo comum para deformação plástica em calcita pura, auxiliado por esses defeitos nanoscópicos internos. Este mecanismo de reforço foi aplicado em muitas ligas metálicas estruturais, como liga de alumínio.

p Além de adicionar força, este projeto permite que a estrutura use seus padrões de rachaduras para minimizar os danos ao revestimento interno. O padrão de intertravamento em mosaico dos cristais de calcita na camada do prisma contém danos em grande escala quando a força externa é espalhada pelos cristais individuais. A estrutura é capaz de rachar para dissipar a energia de carga externa sem falhar.

p "Claramente, esses defeitos nanoscópicos não são uma estrutura aleatória, mas ao invés, desempenham um papel significativo no controle das propriedades mecânicas desta cerâmica natural, "disse Li." Por meio dos mecanismos descobertos neste estudo, o organismo realmente transforma a calcita originalmente fraca e quebradiça em uma armadura biológica forte e durável. Agora estamos experimentando um possível processamento de fabricação, como impressão 3-D, implementar essas estratégias para desenvolver compósitos cerâmicos com propriedades mecânicas aprimoradas para aplicações estruturais. "