Forskere låser op for strukturelle hemmeligheder for hvalballe

Kinesiske forskere, der arbejder med andre forskere, har for første gang afdækket de underliggende mekanismer i den hierarkiske struktur af hvalbaleen, med et øje mod at udvikle avancerede konstruerede materialer. I en nylig publikation, Dr. Bin Wang fra Shenzhen Institutes of Advanced Technology ved det kinesiske videnskabsakademi og amerikanske samarbejdspartnere har afsløret, hvordan de underliggende mekanismer i den hierarkiske struktur af baleen bidrager til dens unikke frakturadfærd.

Havet besidder et overflødighedshorn af organismer, der trives gennem geniale strategier, giver dermed et væld af inspiration til innovation. Baleenhvaler er særligt bemærkelsesværdige på grund af de mange vigtige egenskaber ved deres karakteristiske baleen, filterfødeapparatet inde i mundhulen hos mysticetes (bardehvaler). Det består af en række parallelle plader suspenderet fra ganen ned på begge sider af munden og er det mest mineraliserede materiale af keratinerne. Baleen giver mulighed for effektiv fodring af store mængder små zooplankton. Denne filtreringsmekanisme har gjort det muligt for mysticeter at udvikle sig til de største levende væsner på jorden.

Tager plads på tænderne, balleen modstår en levetid af kræfter genereret af vandstrømning og bytte uden brud. Ja, brudsejhed, som måler strukturel integritet for pålidelig funktion, er en afgørende materialeegenskab for baleen såvel som for materialer, der anvendes i marine applikationer. Selvom det sjældent studeres, baleen har længe været kendt for at være både stærk og fleksibel. Det var et populært materiale, der blev brugt i korsetter fra det 11. til det 20. århundrede og er blevet brugt i Alaska Native-kurve.

Forskning udført af prof. Wang og kolleger viser, at nanoskalastrukturen af ​​baleens mellemfilamenter og mineralkrystaller, der er indlejret i en amorf matrix, øger dens stivhed og styrke. Desuden, mikroskala rørformede lameller styrer retningen af ​​revneudbredelse i tilfælde af brud, og spænde og forskydning under kompression. Ud over, baleens sandwich-rørstruktur øger bøjningsstivhed og styrke med en gunstig vægtbesparelse.

"Baleen har en meget anisotropisk sejhed, "sagde prof. Meyers." I længderetningen, revner forplanter sig let, fører til ønskelig delaminering, flosser, og dannelse af børster, nødvendig for filtreringshandlingen, i den tværgående retning, sprækkeudbredelse modstås af den rørformede struktur, giver den nødvendige modstand mod vandstrømning og byttedyrpåvirkning."

Kvasi-statiske og dynamiske eksperimenter, som understøtter baleens anisotrope frakturadfærd, viste en duktil-til-skør overgang, med en deformationshastighed, der stiger i den tørre tilstand, men fraværende i den hydrerede tilstand.

Relateret analyse, der inkorporerer vandplastificeringseffekten og afstivning af spændingshastigheden, gav ny information om balleens adfærd under konkurrerende faktorer som hydrering og dynamisk belastning, hvilket er en vigtig overvejelse for at designe nye tekniske materialer til havmiljøet.

Prof. Wang sagde, at det er "fantastisk og spændende" at studere baleen fra et materialeteknisk perspektiv. Wang understregede, at nye resultater inden for materialedesign relateret til baleen kan hjælpe med at nå det "ultimate mål" med at udvikle avancerede konstruerede materialer.