Mantis rejer dactyl køller kunne rumme hemmeligheder til mere modstandsdygtige overflader til menneskelig brug

University of California, Irvines materialevidenskabsforskere lærer om modstandsdygtighed fra mantis-rejen. De gamle krebsdyr er bevæbnet med to hammerlignende raptoriske vedhæng kaldet daktylkøller, som de bruger til at knuse og smadre deres bytte. Disse næver, i stand til at accelerere fra kroppen med over 50 mph, leverer kraftige slag, men fremstår ubeskadiget bagefter.

UCI-forskerne opdagede, at køllerne har en unikt designet nanopartikelbelægning, der absorberer og spreder energi. Fundene, offentliggjort i dag i Naturmaterialer , har betydelige konsekvenser for konstruerede materialer i bilindustrien, luftfarts- og sportsindustrien.

"Tænk på at slå en væg et par tusinde gange ved de hastigheder og ikke brække næven, sagde David Kisailus, UCI professor i materialevidenskab og teknik, der har studeret mantis-rejen i mere end et årti. "Det er ret imponerende, og det fik os til at tænke over, hvordan det kunne være."

Han og postdoc Wei Huang brugte transmissionselektron- og atomkraftmikroskopi til at undersøge nanoskalaarkitekturen og materialekomponenterne i klubbernes overfladelag. De fastslog, at nanopartiklerne er bikontinuerlige sfærer, lavet af sammenflettede organiske (protein og polysaccharid) og uorganiske (calciumphosphat) nanokrystaller.

De 3-D uorganiske nanokrystaller er mesokrystallinske, i det væsentlige stablet sammen som lego-stykker, med små orienteringsforskelle, hvor de går sammen. De krystallinske grænseflader er afgørende for modstandsdygtigheden af ​​overfladelaget, fordi de knækker og går i stykker under højhastighedspåvirkning, reducere indtrængningsdybden til det halve.

"TEM i høj opløsning hjalp os virkelig med at forstå disse partikler, hvordan de er opbygget, og hvordan de reagerer under forskellige typer af stress, " sagde Kisailus. "Ved relativt lave belastningshastigheder, partiklerne deformeres næsten som en skumfidus og restituerer sig, når stressen løsnes."

Han bemærkede, at strukturernes opførsel under højbelastningspåvirkning er meget anderledes. "Partiklerne stivner og brækker ved de nanokrystallinske grænseflader, " sagde Kisailus. "Når du knækker noget, du åbner op for nye overflader, der spreder betydelige mængder energi."

Holdet, som omfattede forskere fra Purdue University, Oxford Instruments og Bruker Corp., var også i stand til at måle og karakterisere belægningens imponerende dæmpningsevner.

"De stive uorganiske og bløde organiske materialer i et gennemtrængende netværk giver belægningen imponerende dæmpningsegenskaber uden at gå på kompromis med stivheden. Det er en sjælden kombination, der udkonkurrerer de fleste metaller og teknisk keramik, " sagde Kisailus.

Han tilføjede, at han nu har fokuseret på at oversætte disse resultater til nye anvendelser inden for en række forskellige områder:"Vi kan forestille os måder at konstruere lignende partikler for at tilføje forbedrede beskyttende overflader til brug i biler, fly, fodboldhjelme og panser."