Skør søstjerne viser, hvordan man laver hård keramik

Et internationalt team ledet af forskere ved Technion-Israel Institute of Technology, sammen med kolleger fra European Synchrotron, Grenoble, Frankrig, har opdaget, hvordan en pighud kaldes Ophiocoma wendtii, kendt som en sprød stjerne, kan skabe materiale som hærdet glas under vandet. Resultaterne er offentliggjort i Videnskab og åbner muligvis nye bioinspirerede ruter til hærde af sprød keramik i forskellige applikationer, der spænder fra optiske linser til turboladere til biler og endda biomaterialimplantater.

Hundredvis af fokuslinser er placeret på armene på den sprøde stjerne. Disse linser, lavet af calciumcarbonat, er kraftfulde og præcise, og undersøgelsen af ​​deres krystallinske og nanoskala struktur har optaget Boaz Pokroy og hans team, fra Technion-Israel Institute of Technology, i de sidste tre år. Takket være forskning foretaget på tre ESRF -stråler, ID22, ID13 og ID16B, blandt andre laboratorier, de har fundet ud af den unikke beskyttelsesmekanisme ved meget modstandsdygtige linser.

Som et eksempel, tage hærdet glas. Det fremstilles ved at udøve et tryk på glasset, som komprimerer det og efterlader det mere kompakt end i dets naturlige tilstand. Glashærdning udføres ved hurtig opvarmning og derefter hurtig afkøling af materialet. I denne proces, ydersiden af ​​materialet afkøles hurtigere end indersiden og komprimerer derved indersiden. Ophiocoma wendtii linser er skabt i det åbne hav, ved stuetemperatur, i modsætning til hærdet glas. "Vi har opdaget en strategi for at gøre skørt materiale meget mere holdbart under naturlige forhold. Det er "krystalteknik, "og temperering uden opvarmning og bratkøling, en proces, der kan være meget nyttig i materialeteknik, " forklarer Pokroy.

Dannelsen af ​​calcitlinser blev opdaget takket være en lang række forsøg på ESRF, og Titan transmissionselektronmikroskopet på Technion. "Da vi først kom til ESRF, forventede vi ikke, at vores forskning ville nå disse resultater, " siger Pokroy. Holdet kom først til ID22, hvor de brugte pulverrøntgendiffraktion til at undersøge materialet i en pulverform, mens de opvarmede det. "Vi forstod, at vi havde nanodomains efter dette eksperiment, så vi lavede noget transmissionselektronmikroskopi derhjemme, kom derefter til ID13 for at kortlægge nanodomains og til sidst til ID16 for at lave tomografi om, hvordan de forskellige partikler arrangerer sig i forskellige lag, "tilføjer han.

De internationale forskere opdagede, at det afgørende trin i linsedannelsesprocessen er overgangen fra den amorfe fase – fasen mellem flydende og faststof – til den krystallinske fase. På dette tidspunkt, calcit nanopartikler, som er rige på magnesium og kendetegnet ved en relativt lav densitet, adskilt fra resten af ​​materialet. Forskellen i koncentrationen af ​​magnesium i calcitpartiklerne forårsager forskellige grader af hårdhed, massefylde, og tryk i forskellige områder af materialet. Magnesiumrige partikler presser på den indre del af linsen, når den krystalliserer og "tempererer" den til et klart og sejt krystallinsk materiale.

"Naturen udviser en enorm kreativitet i at forbedre organismens evner i forskellige sammenhænge såsom styrke, sansning, og selvforsvar. Her, også, i færd med at skabe hårdføre og præcise gennemsigtige linser, vi ser en enorm effektivitet i brugen af ​​eksisterende råmaterialer under forhold i det naturlige miljø." Ingeniører kan nu bruge denne nyopdagede biostrategi til at hærde og styrke syntetiske keramiske materialer i forskellige applikationer, der spænder fra optiske linser til bilturboladere og endda biomaterialeimplantater.