Væsen funktion:Vridende revner giver superhelte sejhed til dyr

Super elastiske materialer fundet i dyreriget skylder deres styrke og sejhed til en designstrategi, der får revner til at følge fibrenes snoede mønster, forebygge katastrofale fejl.

Forskere i en nylig serie af artikler har dokumenteret denne adfærd i præcise detaljer og er også ved at skabe nye kompositmaterialer modelleret efter fænomenet. Arbejdet blev udført af et team af forskere ved Purdue University i samarbejde med University of California, Riverside.

Forskerne studerede den overnaturlige styrke af et kompositmateriale i et havdyr kaldet mantis-rejen, som bruger et slagfast vedhæng til at støde sit bytte til underkastelse.

"Imidlertid, vi ser den samme form for designstrategi ikke kun i mantis-rejen, men også hos mange dyr, " sagde Pablo Zavattieri, en professor ved Purdues Lyles School of Civil Engineering. "Biller bruger det i deres skaller, for eksempel, og vi ser det også i fiskeskæl, hummere og krabber."

Det, der får mantis-rejen til at skille sig ud, er, at den faktisk kan smadre og besejre sine pansrede byttedyr (for det meste bløddyr og andre krabber), som også er kendt for deres skade-tolerance og fremragende mekaniske egenskaber. Mantis-rejen erobrer dem med sin "dactyl club, " et vedhæng, der udløser en byge af voldsomme nedslag med hastigheden af ​​en 0,22 kaliber kugle.

Nye fund viser, at klubbens kompositmateriale faktisk bliver hårdere, når en revne forsøger at vride, i realiteten standser dens fremskridt. Denne revnedrejning styres af materialets fibre af kitin, det samme stof, der findes i mange marine krebsdyrsskaller og insekteksoskeletter, arrangeret i en spiralformet arkitektur, der ligner en vindeltrappe.

"Denne mekanisme er aldrig blevet undersøgt i detaljer før, " sagde Zavattieri. "Det, vi finder ud af, er, at når en revne vrider sig, aftager drivkraften til at vokse sprækken gradvist, fremme dannelsen af ​​andre lignende mekanismer, som forhindrer materialet i at falde fra hinanden katastrofalt. Jeg tror, ​​vi endelig kan forklare, hvorfor materialet er så hårdt."

To artikler blev offentliggjort i Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials og International Journal of Solids and Structures. Artiklerne var medforfattet af Purdue ph.d.-studerende Nobphadon Suksangpanya; UC Riverside doktorand Nicholas A. Yaraghi; David Kisailus, en UC Riverside professor i kemi- og miljøteknik og materialevidenskab og teknik; og Zavattieri.

"Denne spændende nye analytiske, beregningsmæssigt og eksperimentelt arbejde, som følger op på vores indledende biokompositkarakterisering af helicoiden i mantis-rejeklubben og biomimetiske kompositarbejde, giver virkelig en dybere indsigt i hærdningsmekanismerne i denne unikke struktur, " sagde Kisailus.

"Det nye ved dette værk er, at på teorisiden, vi udviklede en ny model, og på den eksperimentelle side brugte vi etablerede materialer til at skabe kompositter, der validerer denne teori, " sagde Zavattieri.

Tidligere forskning har vist, at denne helicoide arkitektur er naturligt designet til at overleve de gentagne højhastighedsslag, afslører, at fibrene også er arrangeret i et sildebensmønster i vedhængets ydre lag.

I den nye forskning, holdet har erfaret specifikt, hvorfor dette mønster giver en sådan sejhed:når der dannes revner, de følger det snoede mønster i stedet for at sprede sig lige hen over strukturen, får det til at mislykkes. Billeder taget med et elektronmikroskop på UC Riverside viser, at i stedet for at en enkelt revne fortsætter med at forplante sig, der dannes adskillige mindre revner - som spreder den energi, der absorberes af materialet ved stød.

Forskerne skabte og testede 3-D-printede kompositter modelleret efter fænomenet, at fange revneadfærden med kameraer og digitale billedkorrelationsteknikker for at studere materialets deformation.

Byron Pipes, Purdue's John L. Bray Distinguished Professor of Engineering, hjalp Suksangpanya med at fremstille glasfiberforstærkede kompositter, der inkorporerede dette fænomen.

"Vi er ved at etablere nye mekanismer, der ikke var tilgængelige for os før for kompositter, "

sagde Zavattieri. "Traditionelt Når vi producerer kompositter, sætter vi fibre sammen på måder, der ikke er optimale, og naturen lærer os, hvordan vi skal gøre det."

Resultaterne hjælper nu udviklingen af ​​lightere, stærkere og sejere materialer til mange applikationer, herunder rumfart, biler og sport.