Naturens hårdeste stoffer afkodet

Hvordan et materiale går i stykker kan være den vigtigste egenskab at overveje, når man designer lagdelte kompositter, der efterligner dem, der findes i naturen. En metode fra Rice Universitys ingeniører afkoder interaktionerne mellem materialer og de strukturer, de danner og kan hjælpe med at maksimere deres styrke, sejhed, stivhed og brudbelastning.

I en undersøgelse, der krævede mere end 400 computersimuleringer af blodplade-matrix kompositmaterialer som perlemor, Rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari og gæsteforsker Shafee Farzanian udviklede et designkort for at hjælpe med syntesen af ​​forskudte kompositter til applikationer i enhver skala, fra mikroelektronik til biler til rumfartøjer, hvor let, multifunktionelle strukturelle kompositter er nøglen.

Modellen integrerer geometrierne og egenskaberne af forskellige blodplade- og matrixkomponenter for at beregne komposittens styrke, sejhed, stivhed og brudbelastning. Ændring af enhver arkitektonisk eller kompositorisk parameter justerer hele modellen, efterhånden som brugeren søger den optimale psi, en kvantificering af dets evne til at undgå katastrofale svigt.

Forskningen fremgår af Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Naturlige kompositter er almindelige. Eksempler omfatter perlemor (perlemor), tandemalje, bambus og dactyl-klubberne af mantis-rejer, som alle er arrangementer i nanoskala af hårde blodplader forbundet med bløde matrixmaterialer og arrangeret i overlappende mursten og mørtel, bouligand eller andre arkitekturer.

De virker, fordi de hårde dele er stærke nok til at tage slag og fleksible nok (på grund af den bløde matrix) til at fordele stress i hele materialet. Når de brækker, de er ofte i stand til at fordele eller begrænse skaden uden at fejle helt.

"Letvægts naturlige materialer er rigeligt, " sagde Shahsavari. "I disse typer materialer, der sker to slags skærpelser. Man kommer før revneudbredelse, når blodpladerne glider mod hinanden for at lindre stress. Den anden er en del af skønheden ved disse materialer:måden, de hærder efter sprækkeudbredelse.

"Selv når der er en revne, det betyder ikke en fiasko, " sagde han. "Revnen kan blive stoppet eller afbøjet flere gange mellem lagene. I stedet for at gå lige gennem materialet til overfladen, hvilket er en katastrofal fiasko, revnen støder ind i et andet lag og zigzagger eller danner et andet komplekst mønster, der forsinker eller helt forhindrer fejlen. Dette skyldes, at en lang og kompleks revnebane kræver meget mere energi for at drive den, sammenlignet med en lige revne."

Forskere og ingeniører har arbejdet i årevis for at kopiere lyset, hård, stærke og stive egenskaber af naturlige materialer, enten med hårde og bløde komponenter eller kombinationer af forskellige blodpladetyper.

Til ingeniører, stivhed, sejhed og styrke er forskellige egenskaber. Styrke er et materiales evne til at forblive sammen, når det strækkes eller komprimeres. Stivhed er, hvor godt et materiale modstår deformation. Sejhed er et materiales evne til at absorbere energi før fejl. I en tidligere avis, rislaboratoriet skabte kort for at forudsige egenskaberne af kompositter baseret på disse parametre før sprækkeudbredelse.

Tilføjelsen af ​​revne-induceret hærdning i naturlige og biomimetiske materialer, Shahsavari sagde, er en anden potent og interessant kilde til hårdhed, der giver ekstra forsvarslinjer mod fiasko. "Modellerne afslørede ikke-intuitive synergier mellem fænomenerne før og efter revner, " sagde han. "De viste os, hvilke arkitekturer og komponenter der ville give os mulighed for at kombinere de bedste egenskaber af hver."

Grundlinjemodellen gjorde det muligt for forskerne at justere fire værdier for hver simulering:karakteristisk blodpladelængde, plasticitet af matrixen, blodpladeulighedsforholdet (når mere end én type blodplade er involveret) og forskydning af trombocytoverlapning, som alle er vigtige for komposittens egenskaber.

I løbet af 400 simuleringer, modellen afslørede, at den største faktor i psi kan være blodpladelængde, sagde Shahsavari. Det viste, at korte blodplader stort set giver brudkontrol til plasticiteten af ​​den bløde matrix, mens lange blodplader tager det tilbage. Blodpladelængder, der fordeler bruddet jævnt og tillader maksimal revnevækst, kan opnå den optimale psi og gøre materialet bedre i stand til at undgå katastrofale svigt.

Modellen vil også hjælpe forskere med at designe, om et materiale vil svigte med et pludseligt brud, som keramik, eller langsomt, som duktile metaller, ved at skifte komponenter, bruge kontrasterende blodplader eller ændre arkitekturen.

Shahsavari er assisterende professor i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik.