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ESTUDIO DE LA MINERALIZACIÓN EN BIVALVOS Y GASTERÓPODOS. RESISTENCIA MECÁNICA Y TEXTURAS Bolmaro R.E.(1), Romano Trigueros P.(2) Yi S.B.(2), Zaefferer S. (2) (1)

Instituto de Física Rosario, Universidad Nacional de Rosario-CONICET. Laboratorio de materia Condensada II- Ciencia de los Materiales. Bv. 27 de febrero 210 bis. 2000. Rosario. Argentina. [email protected] (2) Max-Planck-Institute für Eisenforschung (Max-Planck-Institute for Iron Research), Microstructure Physics und Metal Forming. Düsseldorf, Germany.

1.- RESUMEN Los caparazones de moluscos constituyen un ejemplo de biomineralización orientada que merece ser estudiado debido a las altas prestaciones mecánicas de los mismos [1]. Construidos mayormente con un material frágil como el CO3Ca, alcanzan tensiones de fractura de más de un orden de magnitud superiores a los compuestos puros de origen mineral. La cristalización procede dirigida por procesos bioquímicos con deposición alternada de cristales de aragonita (ortorrómbica) o calcita (trigonal) y un polímero biológico en proporciones que raramente exceden el 1% en volumen [2-4]. Los cristales crecen en forma preferencial definiendo texturas características de cada especie o género, variando de una posición a la otra de los caparazones o a lo largo del espesor de los mismos. En algunos casos ambas estructuras cristalográficas se hallan presentes en las diferentes capas. En otras el caparazón se presenta totalmente calcítico u aragonítico. El entendimiento de las posibles correlaciones entre resistencia y texturas es el objetivo del presente trabajo. Independientemente del origen de esta mineralización que, según algunas teorías, puede haberse debido a un aumento de la concentración de iones carbonato en las aguas de los océanos, está claro que la función principal que cumple es la protección mecánica y/o termodinámica de las partes blandas del animal. Las propiedades de aislamiento y balance térmico y químico han merecido el estudio de numerosos investigadores. También desde el punto de vista mecánico los experimentos y estudios computacionales han sido abundantes. Los estudios han logrado dilucidar algunos de los principales mecanismos de perfeccionamiento de las propiedades mecánicas y estrategias desarrolladas para conseguir resistir ataques de predadores o la acción del mar y los elementos. Sin embargo las diferencias entre las prestaciones de los materiales de las diferentes especies o genera, no son fácilmente correlacionables con sus respectivas microestructuras [5]. En el presente trabajo se presentan estudios de textura, microestructura y resistencia a la fractura de diversas especies de moluscos en un intento de comenzar a racionalizar tales datos. Varias especies de bivalvos han sido estudiadas mediante la determinación de texturas, dureza Vickers y tests de Palmqvist y microscopía electrónica de barrido. Todas las especies estudiadas presentan estructura aragonítica en todo el espesor. Los estudios de textura son efectuados por medio de difracción de rayos X y neutrones. Los experimentos por rayos X se llevaron a cabo en un equipo Philips X-pert pro MPD con radiación Kα, lente concentradora y monocromador. Las texturas por neutrones fueron obtenidas en el reactor FRM-II, Stress-Spec en Garching-Universidad de Munich, Alemania. Las texturas son analizadas mediante cálculo de funciones de distribución de orientaciones. La resistencia a la fractura fue medida por un método derivado del método de Palmqvist basado en cálculos derivados de la teoría de invariancia y análisis dimensional. Se muestra la relación entre carga y superficie como medida de la energía disipada por unidad de volumen fracturado en valvas de Amiantis purpurata. Las texturas de diversos moluscos muestran variaciones desde la superficie hacia el interior, confirmada en algunos casos mediante medición de texturas a distintas profundidades y en otros con mediciones profundas de volumen por medio de difracción de neutrones. La textura superficial se muestra en el caso de la Amiantis p. (Lamarck, 1818) sin maclado con una progresiva simetría hexagonal debido al mismo a medida que se mide a mayor profundidad. En la superficie interior reaparece la ausencia de maclado evidente virando a una simetría cilíndrica. En el caso del género Busycon las texturas superficiales muestran maclado mientras que las texturas de volumen, medidas por neutrones, presentan una simetría ortotrópica. Otras especies como Pachycymbiola brasiliana y Venus antigua presentan simetría cilíndrica con las direcciones (001) y (100) perpendiculares a la superficie externa en una textura de doble fibra. La alta variabilidad de las texturas y microestructuras, con poca relación aparente con la especie que se mide, sugiere un mecanismo complejo de selección, ya sea de características genéticas o de mecanismos flexibles de biomineralización.

existiría una única variable adimensional importante para caracterizar el fenómeno.

2.- DESARROLLO 2.1.- Resistencia a la fractura A pesar de que está perfectamente establecido que la dureza no es una propiedad intrínseca de los materiales, los tests de “indentación” para determinación de durezas se encuentran normalizados y perfectamente justificados para el estudio de materiales plásticos. Sin embargo los mismos han dado lugar a extensiones que permiten la caracterización de materiales en etapas incipientes de fragmentación. Uno de tales tests es el denominado test de Palmqvist [6]. Consiste esencialmente en la utilización de la técnica de determinación de dureza Vickers más allá de la etapa de deformación únicamente plástica. Después de aplicada la carga no sólo se miden las dimensiones de las diagonales de la “indentación” sino también las longitudes de las fracturas o fisuras que se generan en las cercanías de la misma. Con algunas variaciones del método logran analizarse distintos regímenes de fragmentación dependiendo de si la fisuras se producen a lo largo de la diagonal y en sus inmediatas adyacencias o perpendicular a los lados y a cierta distancia de las mismas [710]. Desafortunadamente ninguno de estos dos métodos es aplicable a materiales que fragmentan profusamente o que presentan un régimen plástico muy corto. En esas circunstancias la medición de la longitud de las fracturas no puede medirse ni calcularse. En estas circunstancias se decidió intentar técnicas que provienen del análisis dimensional como las utilizadas en el fenómeno de cratereado por impacto [11-12]. El fenómeno que se quiere analizar difiere del cratereado en la ausencia de una energía cinética de impacto y en la dificultad de medir el volumen afectado por la fragmentación. Sin embargo posee la ventaja de una menor cantidad de variables independientes que, como veremos en el desarrollo, permite un análisis más simple. Las variables presentes, con las cuales deben construirse las variables adimensionales, son la carga aplicada (L), la superficie fragmentada visible al microscopio (S), la energía gastada en el proceso de fragmentación (W) y el volumen de materia fragmentada (V). Este último es totalmente análogo al del proceso de cratereado aunque no sea accesible en el presente método experimental. Las unidades asociadas con tales magnitudes, en el sistema MKS, son:

[L] = N = Kg .m / s 2 N .m [ W] = s

[S] = m 2 [V] = m 3

(1)

Como se trata de cuatro magnitudes con tres unidades independientes e irreducibles, un análisis muy simple permite deducir que

L.V = Cons tan te W.S

(2)

Como las variables a determinar son casualmente la energía disipada por unidad de volumen, la carga por unidad de superficie cratereada resulta directamente proporcional a la misma con una constante que depende del particular fenómeno de fragmentación que se está analizando.

L = Cons tan te .

W .S V

(3)

Es decir que cada material quedaría caracterizado por la constante de proporcionalidad entre la carga aplicada y la superficie cratereada con la energía disipada por unidad de volumen como parte de esa constante. Graficando la carga en función de la superficie se obtendrán curvas características para cada material. Una aplicación de este análisis dimensional se presenta en este trabajo. Algunas muestras de caparazones fueron incluidas en un polímero de baja temperatura para fabricar probetas adecuadas para medición de dureza Vikers. Sabiendo que el tiempo de sobrevida de los caparazones en la playa puede ser muy largo, y que los efectos del sol, el agua y los golpes accidentales pueden influenciar mucho el comportamiento mecánico, se hizo uso de una característica de Amiantis p. Su color rosado fuerte tiende a desaparecer cuando es expuesta al medio por lo que sólo se utilizaron para los experimentos ejemplares que mantenían ese color lo que garantiza cierta frescura de los ejemplares. Las muestras se pulieron y midieron en un microdurómetro Shimadzu HMV-2. La dureza, promediada para cargas entre 0.25 y 3.0 N, no difieren mucho entre caparazones izquierdos y derechos, mostrando valores de HV de 254 ± 19 y 265 ± 19 respectivamente. Los valores se encuentran de acuerdo con los obtenidos en trabajos previos [13] Con variaciones de la carga entre 0.1 y 20 N se determinaron las áreas fracturadas por medio de microscopía óptica. El número de tests de indentación fue de 162, distribuidos aproximadamente en igual cantidad entre valvas izquierdas y derechas. La Fig. 1 muestra que las áreas fracturadas son mayores para las valvas izquierdas que para las derechas a valores de carga altos. El error de medición no tiene prácticamente superposición entre ambas curvas mostrando que las mediciones son estadísticamente representativas. A cargas menores el fenómeno de fracturación es casi el mismo para valvas izquierdas o derechas. La interpretación de los resultados requiere un

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examen más detallado que se efectuará en la sección discusión. 20

Presentan una estructura jerárquica muy compleja con lamelas de 1er, 2do y 3er tipo con maclado (110) y ángulo entre lamelas variables según la especie [16].

Carga [N]

15

10 Valvas derechas Valvas izquierdas

5

HV Valvas derechas 265 +/- 19 HV Valvas izquierdas 254 +/- 19

0

0

1x10

4

4

2x10 3x10 2 Superficie [μm ]

4

4x10

a) Textura superficial en Busycon carica. El maclado es apenas visible. (001) perpendicular saliente.

4

Fig. 1: Carga en función de la superficie fracturada para cargas crecientes en valvas izquierdas y derechas de Amiantis purpurata.

2.2.- Texturas de diversas especies de moluscos Los cristales acrecidos en las diversas capas de un caparazón de molusco no han resuelto la mejor prestación posible de una manera única para distintas especies. Se sospecharía de una sutil adaptación de las microestructuras a diferentes ecosistemas y presiones evolutivas. Sin embargo las restricciones evolutivas (o directamente bioquímicas) podrían jugar un papel importante en la aparición de estructuras no totalmente optimizadas para las prestaciones que pretenden. Diferentes moluscos han dispuesto los cristales constituyentes de sus caparazones de diferente manera: a) la calcítica foliada se presenta en ostras y vieiras con dirección preferencial (1011), (0112) o (1012). [14]. b) Aragonita prismática o nácar, donde los ejes se encuentran alineados perpendicular a la superficie del caparazón. Diversas especies presentan esta estructura que es una de las más difundidas [15] c) La estructura lamelar cruzada que es una de las menos estudiada se encuentra ampliamente difundida en gasterópodos, bivalvos, escafópodos y poliplacóforos.

b) Textura de volumen en Busycon carica. El maclado está ausente. (001) contenida en el plano de la valva.

c) Textura superficial en Busycon peversum. El maclado es apenas visible. (001) perpendicular saliente.

d) Textura de volumen en Busycon perversum. El maclado está ausente. (001) en el plano de la valva.

Fig. 2. Detalle del corte de muestras en Busycon carica.

Fig. 3 Texturas en el género Busycon. Dirección central perpendicular al plano de la valva. Dirección de crecimiento a la derecha.

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El maclado está ausente. (001) y (100) perpendiculares salientes con simetría circular. Fig. 4 Textura brasiliana.

superficial

en

b) Valva izquierda. El maclado está ausente. (001) perpendicular saliente con simetría circular.

Pachycymbiola Fig. 6.- Textura superficial en Amiantis purpurata

a) Valva derecha. El maclado está ausente. (001) y (100) perpendiculares salientes con simetría circular.

Se han medido texturas de tres especies de gasterópodos y dos de bivalvos que presentan la estructura lamelar cruzada. Se presentan sólo algunas de ellas por la limitación de espacio. 1) Textura de Busycon carica y Busycon perversum (Fig.2). Ambas especies del género Busycon están caracterizadas por presentar desarrollo helicoidal derecho e izquierdo respectivamente. (Fig. 3 a-d), 2) Textura de Pachycymbiola brasiliana, gasterópodo de la costa sudamericana atlántica. (Fig. 4). 3) Venus antigua de la costa pacífica chilena (Veneridae). Fig. 5 a-b) 4) Amiantis purpurata de la costa atlántica argentina (Veneridae). (Fig. 6 a-b)

b) Valva izquierda. El maclado está ausente. (001) y (100) perpendiculares salientes con simetría circular.

Fig 5. Textura superficial en Venus antigua. Fig. 7. Estructura lamelar cruzada de Amiantis purpurata.

a) Valva derecha. El maclado está ausente. (001) perpendicular saliente con simetría circular.

La estructura fue observada por medio de microscopía electrónica de barrido en diversas regiones de las muestras. La Fig. 7 muestra la estructura lamelar cruzada característica de Amiantis purpurata. La Fig. 8 muestra una superficie de separación característica de un anillo de crecimiento. Puede observarse la diferente velocidad de crecimiento y tamaño de los cristales, evidenciando probablemente bruscos cambios físico-químicos del medio en que se desenvolvió el individuo estudiado.

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evolución o han surgido muchas veces en la historia de estas especies?. Si ocurriera que la presencia de diferentes microestructuras, texturas, etc., son una respuesta flexible al medio, con poca relación con la especie en estudio, debería poder sacarse conclusiones sobre la directa relación existente entre la resistencia mecánica y las solicitaciones del medio. Si, por otro lado, se tratase de estructuras genéticamente determinadas debería poder obtenerse una correlación entre las fuerzas impulsoras de la evolución y la selección que determina la persistencia de diferentes estructuras en cada especie. Fig. 8.- Probable anillo de crecimiento separando regiones de distinto tamaño de estructuras.

3.- Discusión y Conclusiones Las texturas dominantes varían dependiendo de la especie y posición en el espesor. Los gasterópodos del género Busycon presentan una estructura maclada en la superficie que desaparece en el interior del caparazón migrando a una estructura con simetría tetragonal más propia de una estructura prismática (Fig. 3). Pachycymbiola b. presenta una simetría circular con una doble población de ejes (001) y (100) perpendiculares al caparazón (Fig. 4). La Veneridae Venus a. presenta una textura muy similar a Pachycymbiola b. (Fig. 5) en tanto que Amiantis p. desarrolla una textura un poco más intensa con ortotropía evidente y componente única (001) perpendicular a la superficie del caparazón. Por otra parte la Veneridae Amiantis p. presenta una textura similar pero con ausencia de componente (100) perpendicular al caparazón. Esta especie ha sido estudiada en detalle con anterioridad por lo que los resultados completos no se muestran en el presente trabajo [17]. Las texturas medidas con desbaste progresivo muestran una paulatina aparición de una estructura fuertemente maclada para volver nuevamente a simetría circular a medida que se acerca a la superficie interior de nácar. Como puede observarse las diferentes estructuras y texturas atraviesan la barrera de las especies y aún de las familias y géneros. Las incógnitas que surgen se relacionan con varios aspectos de la evolución de los moluscos. Podría uno interrogarse sobre la oportunidad en que surgen este tipo de estructuras cristalinas, texturas y arreglos de microcristales: A) Resultan de una evolución lineal en beneficio de una estructura más eficaz y eficiente o surgen como adaptaciones flexibles respondiendo a variaciones más o menos súbitas de las exigencias del medio?. B) Son producto de mutaciones que acontecen una sola vez en la

Agradecimientos: A los Dres. H.-G. Brokmeier y U. Garber por el soporte técnico científico en oportunidad de efectuar las mediciones de texturas por neutrones en FRM-II-Stress-Spec, en Garching, Munich, Alemania.

4.- Referencias 1.- Addadi, L., Joester, D., Nudelman, F. and Weiner, S.. (2005). Biomineralization Chemistry A European J., 12, 4: 980 – 987. 2.- Chateigner, D., Hedegaard, C. and Wenk, H.-R. (2000). J. of Struct. Geology 22:1723-1735. 3.- Chateigner, D., Morales, M. and Harper, E.M. (2002) Mat. Sci. Forum 408412:1687-1692. 4.- Checa, A. G. and Rodríguez-Navarro, A. B. (2005). Biomaterials 26 :1071–1079. 5.- Kuhn-Spearing, L.T., Kessler, H. Chateau, E., Ballarini, R. and Heuer, A.H. (1996). J. of Mat. Sci. 31: 6583-6594. 6.- Palmqvist, S. Jernkontorets Ann., vol. 141, 1957. pp.300-307 (BISI no. 1865) 7.- Lima, M.M., Godoy, C., Avelar-Batista, J.C. and Modenesi, P.J. (2003). Mat.Sci. Eng. A357:337-345. 8.- Mening, R., Meyers, M.H., Meyers, M.A. and Vecchio, K.S. (2001). Mat. Sci. Eng. A 297:203-211. 9.- Milekhine, V., Onsøien, M.I., Solberg, J.K. and Skaland, T. (2002) Intermetallics. 10:743-750. 10.- Munro, R.G. (2003) NIST. National Institute of Standards and Technology. Special Publication 960-11.

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11.- Gerhart, P.M., Gross, R.J. And Hochstein, J.I.. Addison-Wesley publishing Co. Reading, Massachusetts, USA. 1992. 12.- Schmidt R. and Housen K. (1995). The Industrial Physicist. 1: 21-24. 13.- Currey, J.D. J. Zool. Lond. (1976) 180, 445453. 14.- Runnegar, B. 1984. Alcheringa, V. 8 273290. 15.- Kobayashi, S. and Watanabe, N. 1963. Shinju-no-Kenkyu (Studies of Pearls) (In Japanese). Gihodo press, Japan, p 175. 16.- Hedergaard C. and Wenk. H-R J. Mollusc. Studies. V. 64, 133-136. 17.- Bolmaro, R.E.. 9th International Symposium On Biomineralization." From Paleontology to Materials Science" 6 - 9 December 2005. Pucon, Chile.

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