Espectroscopía Ultrasónica Resonante Sin Contacto y su Aplicación al Estudio de Tejidos Vegetales en Estructura Multicapa = Non-Contact Resonant Ultrasound Spectroscopy and its Application to Study Multilayered Vegetal Tissues

摘要

La caracterización de materiales mediante una técnica no invasiva sin contacto, constituye un hito particularmente en aquellos casos en los que existen fuertes restricciones a este respecto: supervisión en procesos de fabricación de materiales no curados, situaciones en las que se tiene un acceso limitado a la muestra, caracterización de materiales cuyo comportamiento es sensible de ser alterado bajo contacto, etc. El perfeccionamiento de transductores ultrasónicos capaces de trabajar acoplados en aire, ha favorecido el desarrollo de técnicas como la Espectroscopía Ultrasónica Resonante Sin Contacto (NC-RUS). Dicha técnica, se empleó con éxito en la caracterización mecánica de hojas de plantas. Asimismo, se demostró que algunas de las propiedades acústicas efectivas obtenidas considerando el tejido como homogéneo, podían ser usadas como indicadores del estado hídrico de las hojas con gran precisión. Sin embargo, el gran potencial de la técnica quedaba limitado por una serie de consideraciones no contempladas, a saber: heterogeneidad en los tejidos que componen las hojas, incidencia oblicua de la onda de ultrasonidos sobre la hoja y casos en los que la hoja no ha sido escindida del resto de la planta. Por tanto, este trabajo se centra en la aplicación de esta técnica en situaciones no estudiadas hasta el momento como: cuantificación de las variaciones en parámetros acústicos in vivo de hojas de plantas de distintas especies sometidas a cambios en factores abióticos (como luz y agua), establecimiento de relaciones entre parámetros elásticos medidos mediante técnicas ultrasónicas y la microestructura de tejidos vegetales, extracción de parámetros mecánicos provenientes de las diferentes capas que componen materiales estratificados de uso industrial común, así como en tejidos biológicos (hojas de plantas) y generación y detección de ondas de cizalla en tejidos vegetales. Los resultados recogidos en la realización de esta tesis doctoral indican la existencia de una variación mecánica detectable a frecuencias ultrasónicas de las hojas unidas al resto de la planta, a consecuencia de su respuesta frente a variaciones a factores tales como luz o agua. Por otro lado, valores elásticos recogidos empleando otras técnicas ultrasónicas que, además de longitudinales, excitan ondas guiadas y de cizalla en los tejidos vegetales, ponen de manifiesto la relación existente entre estos y las diferentes microestructuras que los forman. Asimismo, se han extraído parámetros mecánicos, tanto en incidencia normal como en oblicua en banda ancha ([0.1 – 1.6] MHz), relativos a las diferentes capas que forman materiales estratificados tanto del ámbito industrial como en el de las hojas de plantas. Las conclusiones derivadas de este trabajo apuntan a la aplicación de la Espectroscopía Ultrasónica Resonante Sin Contacto como una técnica de gran potencial en la caracterización, monitorización y control de cultivos de plantas en el ámbito de la ecofisiología. Asimismo, se constata que el método desarrollado en esta tesis es de gran valor en la caracterización mecánica no sólo de materiales sintéticos, sino también en tejidos biológicos de hojas de plantas, permitiendo además, inferir parcialmente su microestructura de un modo inmediato, no destructivo y completamente no invasivo. ABSTRACT Non-contact and non-invasive materials characterization constitutes an important milestone especially in cases where strong restrictions are mandatory, such as: monitoring of fabrication processes in uncured materials, testing samples under limited access, characterizing materials that can be altered due to contact, etc. As consequence of the advance in air-coupled ultrasonic transducers, a technique such as Non-Contact Resonant Ultrasound Spectroscopy (NC-RUS) was developed. This technique has been successfully applied in plant leaves characterization. Consequently, it was proved that effective parameters of plant leaves obtained using Non-Contact Resonant Ultrasound Spectroscopy enables an accurate estimation of plant water status. Nevertheless, the great potential shown by this technique was limited regarding some concerns not yet studied, such as: heterogeneity in leaf tissues, oblique incidence of the ultrasonic wave in the leaves and measurements on leaves attached to the plant. Therefore, this work is focused on the application of this technique in cases not studied so far, such as: quantifying and monitoring leaf acoustic parameters of different species while inducing changes in abiotic factors such as light and water, establishing the relationship between elastic parameters obtained by ultrasonic measurements and the microstructure of plant tissues, extracting mechanical parameters of each layer within the leaf and generating and detecting shear waves in plant tissues. Results collected in this work show the variation in the mechanical of plant leaves attached to the plant at ultrasonic frequencies, as a consequence of their response under light and watering alterations. Furthermore, elastic values obtained using ultrasonic techniques that propagate shear and guided waves in plant tissues reveal a link between them and the microstructure observed. Additionally, acoustic parameters from different layers within the sample at ultrasonic frequencies were extracted, both at normal and oblique incidence in wideband ([0.1 – 1.6] MHz). This was demonstrated not only in plant leaves but also in synthetic materials. From this work, we conclude that Non-Contact Resonant Ultrasound Spectroscopy (NC-RUS) technique is a powerful tool for characterization, monitoring and control of plants in the ecophysiology field. Moreover, it demonstrates that the NC-RUS technique and procedures developed in this thesis work, adds a significant value to materials characterization not only in synthetic materials but also in biological tissues such plant leaves, where it is possible to infer the microstructure in a non-destructive and non-invasive way.