Forskere finder, at frøskal kunne føre til stærke, hård, men alligevel fleksible materialer

Inspireret af elementer fundet i naturen, forskere ved University of New Hampshire siger den puslespillignende bølgede struktur af den sarte frøskal, findes i planter som sukkulenter og nogle græsser, kunne rumme hemmeligheden bag at skabe nye smarte materialer, der er stærke nok til at blive brugt i ting som panser, skærme, og flypaneler.

"Frøskallens hovedfunktion er at beskytte frøet, men det skal også blive blødt for at tillade frøet at spire, så den mekaniske egenskab ændres, " sagde Yaning Li, lektor i maskinteknik. "Ved at lære af naturen kan det være muligt at skræddersy geometrien og skabe arkitekturen til et smart materiale, der kan programmeres til at forstærke styrken og sejheden, men også være fleksibelt og have mange forskellige anvendelser."

Frøkappens byggesten er stjerneformede epidermale celler, som bevæger sig ved hjælp af zigzag intercellulære led for at danne en kompakt, flisebelagt yderside, der beskytter frøet indvendigt mod mekanisk skade og andre miljøbelastninger, såsom tørke, fryser, og bakteriel infektion. For bedre at forstå forholdet mellem de strukturelle egenskaber og funktioner af frøskallens unikke mikrostruktur, prototyper blev designet og fremstillet ved hjælp af multi-materiale 3-D print, og mekaniske eksperimenter og finite element simuleringer blev udført på modellerne.

"Forestil dig et vindue, eller det ydre af et fly, det er virkelig stærkt, men ikke skørt, " sagde Li. "Det samme koncept kunne skabe smart materiale, der kunne tilpasses til at opføre sig anderledes i forskellige situationer, uanset om det er en mere fleksibel kropsrustning, der stadig er beskyttende, eller et andet sådant materiale."

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer , vise, at bølgerne af frøskallens mosaiklignende flisestrukturer, kaldet suturale tesseller, spiller en nøglerolle i at bestemme den mekaniske respons. Generelt, jo mere vaklende er det, jo mere en påført belastning effektivt kan overføres fra den bløde bølgende grænseflade til den hårde fase, og derfor kan både den samlede styrke og sejhed øges samtidigt.

Forskere siger, at de beskrevne designprincipper viser en lovende tilgang til at øge den mekaniske ydeevne af flisebelagte kompositter af menneskeskabte materialer. Da prototypernes overordnede mekaniske egenskaber kunne tunes over et meget stort område ved blot at variere bølgerne af de mosaiklignende strukturer, de mener, at det kan give en køreplan for udviklingen af ​​nye funktionelt klassificerede kompositter, der kan bruges i beskyttelse, samt energioptagelse og -dissipation. Der er et verserende patent, som er indgivet af UNHInnovation, som går ind for, klarer, og fremmer UNH's intellektuelle ejendomsret.