D31 Nanoindentación de Cutícula

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Las propiedades mecánicas de la cutícula del insecto varían tanto de una región a otra que resulta necesario medirlas a una escala muy local, con una resolución del orden del micrómetro, lo que hace que la nanoindentación se haya convertido en la técnica estándar para caracterizar mecánicamente la cutícula punto por punto.

Esa nanoindentación se realiza con un indentador de diamante de geometría muy bien definida, en forma de pirámide de tres caras conocida como geometría Berkovich, cuyo vértice se abre con un ángulo característico de poco más de sesenta y cinco grados medido desde el eje central: ese indentador penetra la cutícula bajo una carga que se controla con precisión creciente, mientras un sensor registra, con una resolución del orden del nanómetro, la profundidad exacta a la que va penetrando en cada instante, lo que hace que toda la información mecánica del ensayo quede contenida en la curva que relaciona esa carga con esa profundidad.

A partir de esa curva de carga contra profundidad, el método de Oliver-Pharr permite extraer tanto el módulo de Young como la dureza de la cutícula, apoyándose en la rigidez con la que comienza la descarga del indentador: justo al empezar esa descarga, solo ocurre recuperación elástica del material, lo que hace posible aislar la respuesta puramente elástica de la cutícula separándola de la deformación plástica que quedó permanentemente marcada bajo el indentador.

Para que esa extracción del módulo de Young sea correcta, hace falta calibrar de antemano la función de área del indentador, porque la punta real del indentador nunca conserva una geometría Berkovich perfecta hasta el final: esa calibración se hace indentando un material de referencia bien conocido, un vidrio de sílice fundida cuyo módulo de Young ronda los setenta y dos gigapascales, lo que hace posible corregir cualquier desviación entre la geometría ideal del indentador y su forma real.

Una vez calibrado de esta forma, el ensayo de nanoindentación revela cuánto varían espacialmente las propiedades mecánicas de la cutícula de una región del insecto a otra: las regiones de articulación, mucho más blandas, arrojan un módulo de Young apenas del orden de unos pocos megapascales, mientras que las mandíbulas, mucho más rígidas, arrojan un módulo de Young miles de veces mayor, del orden de varios gigapascales, una diferencia tan marcada que hace que cada tipo de región cumpla una función mecánica completamente distinta dentro del cuerpo del insecto, y que se puede mapear con la misma resolución micrométrica con la que se realiza cada indentación individual.

Además de esa rigidez elástica, manteniendo la carga del indentador constante durante un tiempo prolongado se puede caracterizar también el componente viscoelástico de la cutícula, observando cuánto sigue hundiéndose el indentador aunque la carga ya no aumente, un fenómeno conocido como fluencia: la cutícula hidratada muestra mucha más fluencia que la cutícula seca, lo que hace que el contenido de agua de la cutícula termine siendo, junto con la propia arquitectura de la región indentada, uno de los factores que más determinan las propiedades mecánicas de la cutícula del insecto.

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