D32 Ensayos de tracción uniaxial

Tópico

El comportamiento mecánico completo de la cutícula del insecto, desde que empieza a deformarse elásticamente hasta que finalmente se rompe, pasando por la etapa intermedia de cedencia plástica, solo se puede observar en su totalidad mediante los ensayos de tracción uniaxial, que hacen que la muestra de cutícula se estire de forma controlada hasta llevarla a la fractura mientras se registra cómo responde en cada instante.

Para poder realizar ese ensayo de tracción, las muestras de cutícula se preparan cortando tiras con una orientación bien definida respecto a las fibras de quitina que refuerzan el material, lo que hace posible comparar cómo responde la misma cutícula cuando se tracciona en la misma dirección que esas fibras o en una dirección distinta, revelando así la anisotropía propia del material.

Durante ese mismo ensayo de tracción, la fuerza que se aplica sobre la tira de cutícula se mide con una resolución del orden del micronewton, mientras que el desplazamiento que sufre la muestra se mide con una resolución del orden del nanómetro, apoyándose para ello en microscopía electrónica o en técnicas de correlación de imágenes digitales, y esa combinación de resoluciones tan finas es la que hace posible construir una curva completa de tensión contra deformación para la tira de cutícula.

De la parte inicial de esa curva de tensión contra deformación, allí donde la respuesta de la cutícula todavía es puramente elástica y sigue una línea recta, se extrae el módulo de Young de la muestra, un valor que queda determinado directamente por la pendiente de esa recta inicial, lo que hace que ese módulo de Young refleje únicamente la rigidez elástica de la cutícula, sin ninguna contribución de la deformación permanente que vendrá después.

Más adelante en esa misma curva, cuando la cutícula deja de comportarse de forma puramente elástica y empieza a deformarse de manera permanente, se alcanza la tensión de cedencia de la cutícula: trazar una recta paralela a la parte elástica inicial pero desplazada apenas dos milésimas en deformación hace que el punto exacto donde esa recta desplazada vuelve a cruzar la curva real de la cutícula quede definido, por convención, como esa tensión de cedencia.

Si se sigue registrando la curva de tensión contra deformación hasta que la cutícula finalmente se rompe, el área total que queda encerrada bajo toda esa curva define la tenacidad de la cutícula, una magnitud directamente proporcional a la energía que la muestra logra absorber antes de fracturarse: esto hace que un material más tenaz sea, por definición, un material capaz de absorber más energía antes de fallar por completo.

Comparando estas tres magnitudes entre distintas regiones del insecto aparece un contraste muy marcado: la cutícula esclerotizada de las mandíbulas combina una dureza y un módulo de Young altos con una tenacidad baja, lo que hace que se comporte de forma frágil y se rompa con apenas deformación previa, mientras que la cutícula de las articulaciones, reforzada con resilina y proteínas blandas, combina una dureza baja con una tenacidad alta, lo que hace que se comporte de forma dúctil y absorba mucha energía antes de romperse.

Repetir estos mismos ensayos de tracción sobre cutícula sometida a distintos niveles de humedad revela, además, que el agua actúa como un agente plastificante de la cutícula: al aumentar la humedad, la cutícula se vuelve menos rígida y más deformable antes de romperse, lo que hace que el contenido de agua termine siendo, junto con la orientación de las fibras de quitina y la región del cuerpo del insecto de la que proviene la muestra, uno de los factores que más determinan el comportamiento mecánico completo de la cutícula bajo tracción.

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