Uden for vægten:Fiskepanser både sejt og fleksibelt

Mennesker har hentet teknologisk inspiration fra fiskeskæl, der går tilbage til oldtiden:romerne, egyptere, og andre civilisationer ville klæde deres krigere i skalarustning, giver både beskyttelse og mobilitet. Nu, ved hjælp af avancerede røntgenbilledteknikker, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) videnskabsmænd har karakteriseret karpeskalaer ned til nanoskalaen, sætter dem i stand til at forstå, hvordan materialet er modstandsdygtigt over for gennemtrængning og samtidig bevare fleksibiliteten.

Forskerne brugte kraftige røntgenstråler ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) til at se, hvordan fibrene i karpeskæl reagerer, når der påføres stress. Som de skrev i deres avis, offentliggjort for nylig i tidsskriftet Stof , hvad de fandt "kan meget vel give yderligere inspiration til design af avancerede syntetiske strukturelle materialer med hidtil uset sejhed og gennemtrængningsmodstand."

"Strukturen af ​​biologiske materialer er absolut fascinerende, " sagde hovedforfatter Robert Ritchie, af Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, der stod i spidsen for dette arbejde med Marc Meyers, en professor i nanoteknik og maskinteknik ved UC San Diego. "Vi kan godt lide at efterligne disse egenskaber i tekniske materialer, men det første skridt er at se, hvordan naturen gør det."

Fiskeskæl har en hård ydre skal med et blødere indre lag, der er sejt og sejt. Når noget som et rovdyrs tænder forsøger at synke ned i vægten, den ydre skal modstår indtrængning, men den indre skal absorbere al den overskydende belastning for at holde skalaen i ét stykke. Hvordan gør den dette? Det viser sig, at fibrene i skalaen, som består af kollagen plus mineraler, er i en snoet orientering, kaldet en Bouligand-struktur. Når der påføres stress på materialet, fibrene roterer i rækkefølge for at optage den overskydende belastning.

"Det kaldes adaptiv reorientering. Det er ligesom et smart materiale, " sagde Ritchie, som også er professor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley. "Ved at bruge en teknik kaldet lille vinkel røntgenspredning, vi kan følge det i realtid ved hjælp af synkrotronen. Vi bestråler det med røntgenstråler, og vi kan faktisk se fibrene rotere og bevæge sig."

Det kollagen, der udgør menneskets hud, på den anden side, er "alt rodet som en skål spaghetti, men det kan optrevle og justere for at absorbere energi, som gør huden utrolig modstandsdygtig over for rivning, " sagde Ritchie. Bouligand-strukturen i karpeskalaen er meget mere organiseret, men giver stadig en meget effektiv hærdningsmekanisme.

Det andet bemærkelsesværdige kendetegn ved en karpeskala er gradienten mellem de hårde og bløde lag. "Hvis vi lavede det som rustning, vi ville have en grænseflade mellem det hårde og det bløde materiale. Grænsefladen er uvægerligt et sted, hvor revner og fejl starter, " sagde Ritchie, en ekspert i, hvordan materialer fejler. "Måden naturen gør det på:I stedet for at have disse grænseflader, hvor der er diskontinuitet mellem et materiale og et andet, naturen laver en perfekt gradient fra det hårde til det bløde (hårdere) materiale."

Arbejder i samarbejde med forskerne ved UC San Diego, holdet har tidligere studeret arapaimaen, en Amazonian ferskvandsfisk, hvis skæl er så seje, at de er uigennemtrængelige for piranha, samt andre arter. Til dette studie valgte de karpen, en moderne version af den gamle coelacanth fisk, også kendt for at have vægte, der fungerer som rustning.

Nu hvor deformations- og svigtmekanismerne for karpeskæl er blevet karakteriseret, at forsøge at reproducere disse egenskaber i et ingeniørmateriale er den næste udfordring. Ritchie bemærkede, at fremskridt inden for 3-D-print kunne give en måde at producere gradienter på, som naturen gør, og dermed lave et materiale, der er både hårdt og sejt.

"Når vi har fået bedre styr på, hvordan man manipulerer 3-D-print, vi kan begynde at lave flere materialer i naturens billede, " han sagde.