Konkylieskaller spreder hemmeligheden bag deres sejhed

Skallene af marine organismer tager slag fra påvirkninger på grund af storme og tidevand, stenede kyster, og skarptandet rovdyr. Men som nyere forskning har vist, en type skal skiller sig ud over alle de andre i sin sejhed:konkylien.

Nu, forskere ved MIT har udforsket hemmelighederne bag disse skallers ekstraordinære slagfasthed. Og de har vist, at denne overlegne styrke kunne reproduceres i konstruerede materialer, potentielt at give den bedste beskyttende hovedbeklædning og kropsrustning nogensinde.

Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Avancerede materialer , i et papir af MIT kandidatstuderende Grace Gu, postdoc Mahdi Takaffoli, og McAfee professor i teknik Markus Buehler.

Konkylieskaller "har denne virkelig unikke arkitektur, " Gu forklarer. Strukturen gør materialet 10 gange hårdere end perlemor, almindeligvis kendt som perlemor. Denne hårdhed, eller modstand mod brud, kommer fra en unik konfiguration baseret på tre forskellige niveauer af hierarki i materialets interne struktur.

Den tre-lags struktur gør det meget svært for små revner at sprede sig og forstørre, siger Gu. Materialet har en "zigzag matrix, så revnen skal gennem en slags labyrint" for at sprede sig, hun siger.

Indtil for nylig, selv efter at strukturen af ​​konkylien blev forstået, "du kunne ikke kopiere det så godt. Men nu, vores laboratorium har udviklet 3-D printteknologi, der giver os mulighed for at duplikere denne struktur og være i stand til at teste den, " siger Buehler, der er leder af Institut for Byggeri og Miljø.

En del af innovationen involveret i dette projekt var teamets evne til både at simulere materialets adfærd og analysere dets faktiske ydeevne under realistiske forhold. "I fortiden, en masse test [af beskyttelsesmaterialer] var statisk test, " Gu forklarer. "Men mange applikationer til militær brug eller sport involverer meget dynamisk belastning, "hvilket kræver en detaljeret undersøgelse af, hvordan en påvirknings virkninger spredes over tid.

Til dette arbejde, forskerne lavede test i et faldtårn, der gjorde det muligt for dem at observere præcis, hvordan revner opstod og spredte sig – eller ikke spredte sig – i de første øjeblikke efter et sammenstød. "Der var fantastisk overensstemmelse mellem modellen og eksperimenterne, " siger Buehler.

Det skyldes til dels, at teamet var i stand til at 3-D-printe kompositmaterialer med præcist kontrollerede strukturer, i stedet for at bruge prøver af rigtige skaller, som kan have uforudsigelige variationer, der kan komplicere analysen. Ved at udskrive prøverne, "vi kan bruge nøjagtig den samme geometri" som brugt i computersimuleringerne, "og vi får meget god aftale." Nu, ved at fortsætte arbejdet, de kan fokusere på at lave små variationer "som grundlag for fremtidig optimering, " siger Buehler.

For at teste den relative betydning af de tre strukturniveauer, holdet forsøgte at lave variationer af materialet med forskellige niveauer af hierarki. Højere niveauer af hierarki introduceres ved at inkorporere mindre længdeskalafunktioner i det sammensatte, som i en egentlig konkylie. Helt sikkert, strukturer på lavere niveau viste sig at være væsentligt svagere end det højeste niveau, der blev forfulgt i denne undersøgelse, som bestod af de tværlamellære træk, der er iboende i naturlige konkylier.

Test viste, at geometrien med den konkylie-lignende, krydskrydsede træk var 85 procent bedre til at forhindre revneudbredelse end det stærkeste basismateriale, og 70 procent bedre end et traditionelt fiberkompositarrangement, siger Gu.

Beskyttelseshjelme og andet slagfast udstyr kræver en nøglekombination af både styrke og sejhed, Buehler forklarer. Styrke refererer til et materiales evne til at modstå skader, hvilket stål gør det godt, for eksempel. sejhed, på den anden side, refererer til et materiales evne til at sprede energi, som gummi gør. Traditionelle hjelme bruger en metalskal for styrke og en fleksibel liner for både komfort og energiafledning. Men i det nye kompositmateriale, denne kombination af kvaliteter er fordelt gennem hele materialet.

"Dette har stivhed, som glas eller keramik, " Buehler siger, men det mangler de materialers skørhed, takket være integrationen af ​​materialer med forskellige grader af styrke og fleksibilitet i kompositstrukturen. Som krydsfiner, kompositmaterialet består af lag, hvis "korn, " eller den interne justering af dets materialer, er orienteret forskelligt fra det ene lag til det næste.

På grund af brugen af ​​3-D printteknologi, dette system ville gøre det muligt at fremstille individualiserede hjelme eller andre rustninger. Hver hjelm, for eksempel, kunne "skræddersyes og personliggøres; computeren ville optimere det for dig, baseret på en scanning af dit kranium, og hjelmen ville blive trykt kun til dig, " siger Gu.

Forskningen blev støttet af Office of Naval Research, et National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, Defense University Research Instrumentation Program (DURIP), Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), og Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.