Cómo aprendí a dejar de preocuparme y amar los Superbones de metal estilo lapa

Un poco de contexto, desde el principio: soy un científico loco. Esto significa que la evolución ha sido defenestrada ; como tal, no estoy interesado en determinar qué presiones evolutivas podrían conducir a la adopción de dicho material como estructura de soporte, y tampoco estoy interesado en dónde esta cosa podría encontrar aluminio para mantener sus huesos intactos; estamos hablando de ciencia loca y los límites de lo que es posible dentro de las leyes de la física y la biología mortal aquí, no de la vieja y aburrida evolución.

Yo, siendo un científico loco, estoy planeando hacer una criatura con huesos de aluminio; en concreto, huesos cuyo material principal es el óxido de aluminio , en lugar de la hidroxiapatita carbonatada .

Ahora, antes de continuar, la pregunta: ¿Cuáles son algunas de las debilidades estructurales o biológicas del uso de filamentos monocristalinos de óxido de aluminio suspendidos en una matriz de colágeno como material para los huesos, es decir, por qué no debería hacerlo?

Tenga en cuenta que el núcleo de estos huesos es simple médula ósea . Ud. tiene que tener eso para vivir si Ud. es vida terrenal; Puede que sea un científico loco, pero no soy un científico loco , ¿sabes?

Sin embargo, las otras partes de estos huesos, es decir, donde normalmente habría hidroxiapatita carbonatada, están hechas de óxido de aluminio. He aquí por qué eso es genial:

El óxido de aluminio tiene varias propiedades que lo hacen superior al hueso como estructura de soporte.

• Un módulo de volumen -lo difícil que es deformarse- de 137 a 324 gigapascales, frente al promedio del hueso de 18,6 gigapascales .

• Una resistencia a la compresión -cuánto estrés puede soportar antes de deformarse- de 690 megapascales a 5,5 gigapascales, frente a los 170 megapascales del hueso .

• Un límite de resistencia , la fuerza máxima de un ciclo de carga (una tensión repetitiva) que puede soportar indefinidamente, de 59 a 488 megapascales, a diferencia de los 23 a 30 megapascales de Bone .

• Una dureza , lo difícil que es ser abollado o desgastado, de 2600-2720 kg/mm/mm , en comparación con el rango bajo de decenas del hueso .

• Un módulo de ruptura , es decir, la cantidad máxima de tensión que cada fibra puede soportar justo antes de fallar, de 152 a 800 megapascales. No puedo encontrar una fuente para el módulo de ruptura del hueso. Sin embargo, es probable que esté dentro del rango de 104 a 121 megapascales (alrededor de su resistencia a la tracción ), ya que es un material relativamente homogéneo y, según Wikipedia , esto significa que su resistencia a la tracción es probablemente comparable, aunque potencialmente inferior a , su resistencia a la flexión. Lo recomendaría a mano , ya que podría ser inexacto aquí por falta de una fuente, pero en realidad tengo una solución a continuación y, como mínimo, es probable que el hueso y el óxido de aluminio sean comparables .en términos de sus módulos de ruptura; el óxido de aluminio es probablemente más fuerte.

• Un módulo de cizallamiento , es decir, qué tan resistente es a ser deformado lateralmente, de 88 a 165 gigapascales, a diferencia de los 51,6 megapascales estúpidamente bajos del hueso .

• Una resistencia a la tracción (como se mencionó anteriormente) de 69 a 665 megapascales, a diferencia de los 101-124 megapascales del hueso . Si bien esto podría ser potencialmente menor que el del hueso, supongamos que no lo es , ya que el extremo superior de la resistencia a la tracción del óxido de aluminio es significativamente mayor que el extremo superior del hueso.

• El módulo de Young - qué tan rígido es frente a la fuerza longitudinal - de 215 a 413 gigapascales, a diferencia del hueso ~ 1 gigapascal; aunque no tengo una fuente directa para esa cifra, la relación entre el módulo de Young y el módulo de corte del hueso es 20:1 y 20 * 51,6 = 1032.

• Un módulo elástico (cuánta fuerza puede soportar antes de que se deforme de forma no permanente) de 275 gigapascales (incluso a una concentración relativamente baja del 90 %, es decir, el 10 % no es óxido de aluminio) a diferencia de los 34,11 gigapascales del hueso . Tenga en cuenta que el módulo elástico es diferente del límite elástico que menciono a continuación; el módulo elástico está relacionado con la deformación no permanente , mientras que el límite elástico está relacionado con la deformación permanente .

Ahora, como mencioné más adelante en esta publicación, podría parecer que el óxido de aluminio tiene algunas debilidades evidentes en comparación con el hueso; es probable que tenga una ductilidad y un límite elástico menores, y tuve que manipular manualmente su tenacidad a la fractura y la relación de Poisson.

Si bien no puedo encontrar cifras sobre el límite elástico (cuánta fuerza por unidad de área puede soportar sin deformarse permanentemente ) y la ductilidad (cuánto puede deformarse elásticamente sin fracturarse ), estoy dispuesto a apostar que el límite elástico del hueso es mayor que el límite elástico del óxido de aluminio de 69 a 665 megapascales, y que la ductilidad del hueso es mayor que la ductilidad del óxido de aluminio de 0,00018.

Las únicas áreas relevantes en las que sé con certeza que es posible que el hueso venza al óxido de aluminio son la resistencia a la fractura (cuán difícil es que una grieta ya establecida en la sustancia crezca más) y la relación de Poisson (cuánto aplasta una sustancia). hacia los lados cuando se comprime.

• El hueso cortical tiene una resistencia a la fractura de 2 a 12 MPa.m^(-1/2) , mientras que el óxido de aluminio tiene una resistencia a la fractura de 3,3 a 5 MPa.m^(-1/2). Esto es suficiente para un handwave.

• El hueso cortical también tiene una relación de Poisson de 0,12 a 0,63 (si desea encontrar ese bit en particular, use control-F para encontrarlo, ya que es una fuente larga), a diferencia del óxido de aluminio de 0,21 a 0,33, lo que significa que el óxido de aluminio podría ser más blando. Una vez más, una onda manual es completamente posible aquí, pero estas cosas se volverán irrelevantes una vez que implemente mi solución a los problemas de flexibilidad y fragilidad del óxido de aluminio a continuación.

Tengo una solución para estas cosas, ya ves; estructura los huesos de óxido de aluminio como dientes de lapa . Los dientes de lapa contienen bigotes monocristalinos de goethita , es decir, cristales de goethita que son tan pequeños que no son sensibles a los defectos, lo que significa que no tienen impurezas estructurales que hagan que los cristales más grandes sean más susceptibles a fallas estructurales. Además, y este es el punto importante, estos cristales de goethita están incrustados en una matriz de colágeno , lo que permite que los dientes de una lapa sean flexibles, no quebradizos, etc.

Además de eso, estos cristales de goethita tienen una longitud de fibra crítica baja en relación con su total, lo que significa que son muy buenos para transferir cargas a la matriz de colágeno; en otras palabras, no necesitan ser muy largos para actuar como buenos amortiguadores.

Mi solución a esto, por lo tanto, es suspender cristales/fibras de óxido de aluminio dentro de una matriz de colágeno, al igual que los dientes de una lapa son cristales/fibras de óxido-hidróxido de hierro (III) (goethita) dentro de una matriz de colágeno, para aportar flexibilidad de estos huesos hasta un nivel más comparable a la vida terrestre más convencional.

Considerándolo todo, diría que los bigotes monocristalinos de óxido de aluminio suspendidos dentro de una matriz de colágeno son, al menos mecánicamente hablando, un hueso mucho mejor que los que existen en la vida real, pero por supuesto diría eso, porque Se me ocurrieron. Queda por ver si realmente hay problemas con ellos, que es donde entras tú:

¿Cuáles son algunas de las debilidades estructurales o biológicas del uso de filamentos monocristalinos de óxido de aluminio suspendidos en una matriz de colágeno como material para los huesos, es decir, por qué no debería hacerlo?

Supongamos que esta criatura con huesos de óxido de aluminio está diseñada para operar en condiciones estándar terrestres "normales", en tierra, al nivel del mar, etc., y que, además de sus estructuras de soporte únicas, es esencialmente un tigre en todos los demás aspectos de su vida. su biología.

Las buenas respuestas señalarán un problema con este tipo de huesos y tendrán un sentido de la biología, la física y la química al menos tan fuerte como mis rudimentarios.

Aquí hay tres respuestas para las que ya tengo soluciones y con las que no me gustaría que la gente respondiera :

1. Peso. El óxido de aluminio es de 3,95 gramos/cm^3, mientras que el hueso es de ~0,92-1,4 gramos/cm^3. Estos huesos serán ~2.75-4 veces más pesados ​​por unidad de masa. Lo sé, y he encontrado una manera de evitarlo.

2. Disponibilidad. El aluminio debe extraerse de sustancias como la bauxita y es necesario desarrollar nuevas vías metabólicas para procesarlo y manipularlo. Lo sé, y he encontrado una manera de evitarlo.

3. Toxicidad. Las fibras de óxido de aluminio aparentemente son malas para usted ; Personalmente imagino que son un riesgo de inhalación, pero no tengo fuentes concretas al respecto. No considero que esto sea un problema, por varias razones fuera del alcance de esta pregunta; es decir, los huesos tóxicos son increíbles .

Me inspiré en la respuesta de Logan R. Kearsley a una pregunta mía anterior .