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Cholla cactus wood ( Cylindropuntia imbricata ): Hierarchical structure and micromechanical properties

Publicado en:Acta Biomaterialia. 174 269-280 - 2024-01-15 174(), DOI: 10.1016/j.actbio.2023.12.005

Autores: Morankar, S; Luktuke, A; Nieto-Valeiras, E; Mistry, Y; Bhate, D; Penick, CA; Chawla, N

Afiliaciones

Arizona State Univ, Sch Mfg Syst & Networks, 7001 E Williams Field Rd - Autor o Coautor
Auburn Univ, Dept Entomol & Plant Pathol - Autor o Coautor
Purdue Univ, Sch Mat Engn - Autor o Coautor
Univ Politecn Madrid, Polytech Univ Madrid, Dept Mat Sci, ETS Ingn Caminos - Autor o Coautor

Resumen

The Cholla cactus is a species of cacti that survives in arid environments and produces a unique mesh-like porous wood. In this article, we present a comprehensive investigation on the hierarchical structure and micromechanical properties of the Cholla cactus wood. Multiple approaches consisting of X-ray tomography, scanning electron microscopy, scanning probe microscopy, nanoindentation, and finite element simulations were used to gain insight into the structure, property, and design principles of the Cholla cactus wood. The microstructure of the Cholla cactus wood consists of different com ponents, including vessels, rays, and fibers. In the present study, we quantitatively describe the structure of each of these wood components and their likely functions, both from the perspective of biological and mechanical behavior. Nanoindentation experiments revealed for the first time that the cell walls of the fibers exhibit stiffness and hardness higher than those of rays. Furthermore, the idea of making porous, thin-walled cylinders was abstracted from the design of vessel elements, and the structures inspired by this principle were studied in tensile and torsional loading conditions using finite element simulations. Finite element simulations revealed that the utilization of a larger volume of material to carry the load leads to an increase in toughness of these structures, and thus suggested that the pores should be architected to maximize the distribution of load. Statement of significance The Cholla cactus wood possess a unique hierarchical structure that enables it to thrive in arid environments. Our correlative microscopy approach reveals incredible strategies that individual wood components exhibit to enable the survival of Cholla cactus in extreme environments. The present work quantifies the microstructure and mechanical properties of this very interesting natural system. We further investigate a design principle inspired by the vessel elements, one of the wood components of Cholla cactus, using finite element simulations. The study presented here advances our understanding of the structural significance of Cholla cactus and potentially other desert plants and will further help design architected structural materials. (c) 2023 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Palabras clave
Biological materialsCell-wallEarlywood vesselsElastic-modulusFinite element analysisFlowHardnessIndentationLightweightMechanical-propertiesMicroscopy, electron, scanningNanoindentationOpuntiaPorosityThin-walled cylindersTreeWater transportWoodX-ray tomography

Indicios de calidad

Impacto bibliométrico. Análisis de la aportación y canal de difusión

El trabajo ha sido publicado en la revista Acta Biomaterialia debido a la progresión y el buen impacto que ha alcanzado en los últimos años, según la agencia WoS (JCR), se ha convertido en una referencia en su campo. En el año de publicación del trabajo, 2024 aún no existen indicios calculados, pero en 2023, se encontraba en la posición 5/53, consiguiendo con ello situarse como revista Q1 (Primer Cuartil), en la categoría Materials Science, Biomaterials. Destacable, igualmente, el hecho de que la Revista está posicionada por encima del Percentil 90.

2025-04-26:

  • WoS: 2
  • Scopus: 3
  • OpenCitations: 1
Impacto y visibilidad social

Desde la dimensión de Influencia o adopción social, y tomando como base las métricas asociadas a las menciones e interacciones proporcionadas por agencias especializadas en el cálculo de las denominadas “Métricas Alternativas o Sociales”, podemos destacar a fecha 2025-04-26:

  • El uso, desde el ámbito académico evidenciado por el indicador de la agencia Altmetric referido como agregaciones realizadas por el gestor bibliográfico personal Mendeley, nos da un total de: 8.
  • La utilización de esta aportación en marcadores, bifurcaciones de código, añadidos a listas de favoritos para una lectura recurrente, así como visualizaciones generales, indica que alguien está usando la publicación como base de su trabajo actual. Esto puede ser un indicador destacado de futuras citas más formales y académicas. Tal afirmación es avalada por el resultado del indicador “Capture” que arroja un total de: 8 (PlumX).

Con una intencionalidad más de divulgación y orientada a audiencias más generales podemos observar otras puntuaciones más globales como:

  • El Score total de Altmetric: 3.

Es fundamental presentar evidencias que respalden la plena alineación con los principios y directrices institucionales en torno a la Ciencia Abierta y la Conservación y Difusión del Patrimonio Intelectual. Un claro ejemplo de ello es:

  • El trabajo se ha enviado a una revista cuya política editorial permite la publicación en abierto Open Access.
Análisis de liderazgo de los autores institucionales

Este trabajo se ha realizado con colaboración internacional, concretamente con investigadores de: United States of America.