Ikke alle naturens lagdelte strukturer er hårde som dyreskaller og gevirer, undersøgelse finder

Nacre - den iriserende del af bløddyrskaller - er et plakatbarn for biologisk inspireret design. På trods af at det er lavet af skørt kridt, den indviklede lagdelte mikrostruktur af Nacre giver den en bemærkelsesværdig evne til at modstå spredningen af ​​revner, en materialeegenskab kendt som sejhed.

Ingeniører, der ønsker at designe hårdere materialer, har længe forsøgt at efterligne denne form for naturlig lagdeling, som også findes i konkylie, hjortegevir og andre steder. Men en ny undersøgelse fra Brown University-forskere tjener som en advarsel:Ikke alle lagdelte strukturer er så hårde.

Studiet, udgivet i Naturkommunikation , testet en anden lagdelt mikrostruktur, der er kendt for sine fysiske egenskaber - ankerpiggene af en havsvamp kaldet Euplectella aspergillum. Spikulerne er bittesmå filamenter af lagdelt glas, der holder svampene til havbunden. Spiculernes lagdelte struktur sammenlignes ofte med Nacre, siger forskerne, og det er blevet antaget, at spiculestrukturen på samme måde forbedrer sejheden. Denne nye undersøgelse finder noget andet.

"På trods af lighederne mellem arkitekturerne i Nacre og Euplectella spicules, vi fandt ud af, at spicules arkitektur gør relativt lidt med hensyn til at forbedre dens sejhed, i modsætning til en langvarig antagelse, sagde Max Monn, en nyuddannet ph.d. studerende på Brown og en studiemedforfatter.

Til studiet, forskerne sammenlignede Euplectella spicules sejhed med en anden svampeart, Tethya aurantia. Tethya spicules har en lignende kemisk sammensætning som Euplectella spicules, men mangler den lagdelte struktur. For at teste sejhed, holdet satte bittesmå hak i spidserne og bøjede dem derefter. Ved at måle den energi, der forbruges, når revner forplantede sig fra hakkene under bøjningsbelastning, forskerne kunne kvantificere sejheden af ​​begge typer spicules.

Eksperimenterne viste meget lille forskel i sejhed mellem de to spicules, hvilket tyder på, at Euplectellas lagdeling ikke giver meget af en sejhedsforbedring. Ved hjælp af computermodellering, forskerne var i stand til at se dybere ind i, hvorfor lagdeling øger sejheden i nogle materialer og ikke andre. Modellerne viste, at krumningen af ​​lagdelingen i cylindriske spicules ser ud til at slå sejhedsforstærkningen fra lagdelte strukturer fra. Flade lag, som dem, der findes i Nacre, synes at forhindre revner i at sprede sig fra det ene lag til det næste, siger forskerne. Men i materialer med buede lag som Euplectella spicules, revner er i stand til at springe fra lag til lag i stedet for at blive stoppet mellem lagene.

Resultaterne afslører et hidtil ukendt forhold mellem krumning og sejhed i lagdelte materialer og har implikationer for design af bio-inspirerede kompositmaterialer, siger Haneesh Kesari, en adjunkt ved Brown's School of Engineering og avisens seniorforfatter.

"Specielt, det viser, at hvis du bruger en lagdelt arkitektur for at forbedre et materiales sejhed, du skal være forsigtig med områder, der kræver, at lagene er buede, " sagde Kesari. "Vores målinger af spicules og resultater fra vores beregningsmodel viser, at buede lag ikke giver den samme størrelse af styrkeforbedringer, som når lagene er flade."

Resultaterne betyder ikke, at den lagdelte struktur af Euplectella spicules ikke er interessant. Tidligere arbejde fra Kesaris laboratorium har vist, at den lagdelte struktur ser ud til at øge spiculernes bøjningsstyrke markant - for at modstå store bøjningskrumninger, før de svigter. Men bøjningsstyrke og sejhed er meget forskellige mekaniske egenskaber, og at hjælpe med at fjerne ideen om, at lagdeling altid øger sejheden, er en nyttig indsigt for bio-inspireret design generelt, siger forskerne.

"Vores undersøgelse viser, at ikke alle lagdelte arkitekturer giver en betydelig styrkeforøgelse, " sagde Sayaka Kochiyama, en brun kandidatstuderende og studiemedforfatter. "Den bedre forståelse af struktur-egenskabsforhold er nødvendig for at undgå naiv biomimik."