Knækker mysteriet om naturens hårdeste materiale

Nacre, det regnbueblanke materiale, der beklæder indersiden af ​​muslinger og andre bløddyrskaller, er kendt som naturens hårdeste materiale. Nu, et team af forskere ledet af University of Michigan har afsløret præcis, hvordan det virker, i realtid.

Mere almindeligt kendt som perlemor, Nacres kombination af hårdhed og modstandsdygtighed har mystificeret videnskabsmænd i mere end 80 år. Hvis mennesker kunne efterligne det, det kan føre til en ny generation af ultrastærke syntetiske materialer til strukturer, kirurgiske implantater og utallige andre anvendelser.

"Vi mennesker kan lave hårdere materialer ved at bruge unaturlige omgivelser, for eksempel ekstrem varme og tryk. Men vi kan ikke kopiere den form for nano-teknik, som bløddyr har opnået. At kombinere de to tilgange kan føre til en spektakulær ny generation af materialer, og dette papir er et skridt i den retning, sagde Robert Hovden, U-M adjunkt i materialevidenskab og teknik.

Forskere har kendt det grundlæggende i Nacres hemmelighed i årtier - den er lavet af mikroskopiske "mursten" af et mineral kaldet aragonit, snøret sammen med en "mørtel" lavet af organisk materiale. Dette mursten og mørtel arrangement giver tydeligvis styrke, men Nacre er langt stærkere, end dets materialer antyder.

Hovdens hold, som omfattede U-M materialevidenskab kandidatforsker Jiseok Gim samt geokemikere fra Australiens Macquarie University og andre steder, arbejdet sammen om at knække mysteriet.

På UM's Michigan Center for Materials Characterization, forskerne brugte små piezo-elektriske mikro-indentere til at udøve kraft på skaller af Pinna nobilis, almindeligvis kendt som den ædle penneskal, mens de var under et elektronmikroskop. De så, hvad der skete i realtid.

De fandt ud af, at "klodserne" faktisk er flersidede tabletter, der kun er et par hundrede nanometer store. Normalt, disse tabletter forbliver adskilte, arrangeret i lag og polstret af et tyndt lag organisk "mørtel". Men når der påføres stress på skallerne, "mørtlen" klemmer til side og tabletterne låses sammen, danner, hvad der i det væsentlige er en fast overflade. Når kraften fjernes, strukturen springer tilbage, uden at miste nogen form for styrke eller modstandskraft.

Denne modstandsdygtighed adskiller nacre fra selv de mest avancerede menneskedesignede materialer. Plast, for eksempel, kan springe tilbage fra en påvirkning, men de mister noget af deres styrke hver gang. Nacre mistede intet af sin modstandsdygtighed ved gentagne stød med op til 80 % af sin flydespænding.

Hvad mere er, hvis der opstår en revne, Nacre begrænser revnen til et enkelt lag i stedet for at lade den sprede sig, holder skallens struktur intakt.

"Det er utroligt, at et bløddyr, som ikke er det mest intelligente væsen, fremstiller så mange strukturer på tværs af så mange skalaer, " sagde Hovden. "Det er at fremstille individuelle molekyler af calciumcarbonat, arrangere dem i nanolagsark, der limes sammen med organisk materiale, helt op til strukturen af ​​skallen, som kombinerer Nacre med flere andre materialer."

Hovden mener, at mennesker kunne bruge muslingens metoder til at skabe nano-konstruerede kompositoverflader, der kunne være dramatisk lettere og stærkere end dem, der er tilgængelige i dag.

"Naturen giver os disse meget optimerede strukturer med millioner af års evolution bag sig, " sagde han. "Vi kunne aldrig køre nok computersimuleringer til at komme med disse - de er der bare for os at opdage."

Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .