Ny type glas inspireret af naturen er mere modstandsdygtig over for stød

Ved at bruge den iriserende perlemor, der ofte findes foring af muslingeskaller, forskere har konstrueret et nyt kompositglas med en stærkt forstærket modstandsdygtighed over for stød.

Glass gennemsigtighed og holdbarhed gør det til det foretrukne materiale til utallige anvendelser. Men uanset om det bruges "i en bil, en bygning eller en smartphone, glaskomponenter er altid de svageste led og de mest skrøbelige i hele systemet, sagde Francois Barthelat, en maskiningeniør ved McGill University i Montreal, der sammen med sine kolleger udtænkte det nye glas. Under stress, glassets iboende skøre natur betyder, at allerede eksisterende fejl i det kan spredes, udløser pludselige katastrofale svigt.

Strategier til at gøre glas mere slagfast omfatter laminering, som binder to eller flere glasplader sammen med tynde lag af harpiks eller andre polymerer imellem, og temperering, som hærder glas gennem genopvarmning og hurtig afkøling. Imidlertid, Barthelat og hans kolleger mener, at de kan gøre det bedre ved at søge inspiration i naturen.

I de sidste 15 år, de har fokuseret på perlemors struktur og mekanik, et opaliserende slagfast materiale, også kendt som Nacre, der hjælper med at beskytte bløddyrenes bløde kroppe mod stærke rovdyrkæber. "Dyr tager relativt svage ingredienser - et sprødt mineral, bløde proteiner - og gør dem til en hård, men ekstremt hård rustning, " sagde Barthelat.

Nøglen til Nacres sejhed ligger i, hvordan materialet er bygget som en murstensvæg, sammensat af stablede lag af flade mikroskopiske mineraltabletter mørtlet sammen af ​​proteiner. Disse sprøde calciumcarbonat-klodser kan glide forbi hinanden, når de er under stress, hjælper Nacre med at absorbere stød.

For at efterligne Nacre, forskerne brugte en pulserende ultraviolet laserstråle til at ætse firkantede eller sekskantede mønstre på almindelige borosilikatglasplader med en tykkelse på 220 mikrometer, eller omtrent to gange den gennemsnitlige bredde af et menneskehår. Disse graverede plader blev derefter lamineret med tynde lag af plastik hver 125 mikron tyk. Under denne proces, glaspladerne er adskilt i individuelle fliser, hver omkring 1 til 4 millimeter bred.

"Selvom de strukturelle egenskaber ved Nacre har været velkendte i årtier, det er første gang, at en forskergruppe har oversat dette koncept til lamineret glas, " sagde bygningsingeniør Kyriaki Corinna Datsiou ved University of Nottingham i England, som ikke deltog i denne forskning, men skrev en perspektivisk artikel om den nye forskning til det tidsskrift, hvor den er publiceret.

De mange års forskning, som forskerne udførte i perlemor, afslørede nøgledetaljer, de ønskede at efterligne i deres glas. For eksempel, fliserne kunne ikke være for lange, ellers ville de gå i stykker, men hvis de var for korte, de ville også gå i stykker, sagde Barthelat. Mønsteret skulle også være meget præcist med begrænset tilfældighed, mens lamineringslagene skulle være meget deformerbare, han tilføjede.

Forskerne fandt, at deres perlemor-lignende glas var to til tre gange mere slagfast end hærdet eller lamineret glas og 15 til 24 gange mere end almindeligt glas. På samme tid, det var kun marginalt mindre gennemsigtigt end konventionelt lamineret glas.

"Enhver glasforsker vil fortælle dig, at det er en dårlig idé at skyde en kraftig laser ind i et stykke glas, fordi det vil skabe defekter og mindske styrken, sagde Barthelat. vores glas er et godt eksempel, hvor materialefjernelse og tilsyneladende svækkende processer faktisk gør materialet meget bedre!"

Ud over, "fremstillingsmetoden, vi udviklede, er relativt nem og skalerbar - man kunne lave industrielle mængder af dette materiale meget nemt og til en rimelig pris, " sagde Barthelat. Ansøgninger om dette glas kan omfatte biler og bygninger "udsat for vindbårent affald under stormbegivenheder eller for eksplosionspåvirkning under terrorisme eller kriminalitetsscenarier, " sagde Datsiou.

Forskerne bemærkede, at deres perlemor-lignende glas var 10% til 15% mindre stift end almindeligt glas, hvilket gør den mere tilbøjelig til at spænde under pres. For at kompensere, de foreslog at tilføje en almindelig glasplade foran deres perlemor-lignende glas, hvilket kunne øge den samlede styrke til op til 90 % af lamineret glas.

I fremtiden, forskerne ønsker at lave en række forskellige perlemor-lignende briller, såsom buede emner, eller ultratynde ark til touchskærme. "Vi ønsker også at udvikle versioner af vores perlemor-glas, der er bøjelige - en tynd plade af dette glas ville bøje sig til store deformationer, og derefter komme sig uden skade, " sagde Barthelat.

Datsiou bemærkede også, at fremtidens perlemor-lignende glas kunne inkorporere andre funktioner, der findes i naturlig perlemor, såsom den bølgede form eller mikroskopisk ru overflader på perlemor-tabletter. Dette kan øge dens stivhed og andre kvaliteter, forklarede hun.

Forskerne detaljerede deres resultater i 28. juni-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab .

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Inside Science. Læs den originale historie her. Brugt med tilladelse. Inside Science er en redaktionelt uafhængig nyhedstjeneste fra American Institute of Physics.