Forskere finder, at cuttlebones mikrostruktur sidder på et sødt sted

Ling Li har en lektion på et af sine maskiningeniørkurser om, hvordan skøre materialer som calciumcarbonat opfører sig under stress. I det, han tager et stykke kridt sammensat af sammensætningen og knækker det på midten for at vise sine elever kanten af ​​et af de knækkede stykker. Bruddet er stumpt og lige.

Derefter, han vrider et andet stykke, hvilket resulterer i skarpere skår knækket i en 45-graders vinkel, angiver den farligere retning af trækspænding på kridtet. Det knækkede kridt hjælper Li med at demonstrere, hvad skørt calciumcarbonat vil gøre under normale kræfter:det har en tendens til at knække.

"Hvis du bøjer det, det vil gå i stykker, " sagde Li.

I Lis laboratorium for biologiske og bio-inspirerede materialer, mange af de havdyr, han studerer for deres biologiske strukturelle materialer, har dele lavet af calciumcarbonat. Nogle bløddyr bruger det i fotoniske krystaller, der skaber et levende farvedisplay, "som en sommerfugls vinger, " sagde Li. Andre har mineraløjne bygget med det, ind i deres skaller. Jo mere Li studerer disse dyr, jo mere er han forbløffet over den anvendelse, deres kroppe finder til iboende skørt og skrøbeligt materiale. Især når brugen trodser den skrøbelighed.

I en undersøgelse offentliggjort af Proceedings of the National Academy of Sciences , Lis forskerhold fokuserede på blæksprutten, endnu en af ​​de opfindsomme, kridtbyggede dyr og en rejsende i havets dybder. Forskerne undersøgte den indre mikrostruktur af cuttlebone, bløddyrets meget porøse indre skal, og fandt ud af, at mikrostrukturens unikke, kammeret "væg-septa" design optimerer cuttlebone til at være ekstremt let, stiv, og skade-tolerant. Deres undersøgelse går ind i de underliggende materialedesignstrategier, der giver cuttlebone disse højtydende mekaniske egenskaber, trods skallens sammensætning hovedsagelig af skør aragonit, en krystalform af calciumcarbonat.

I havet, blæksprutten bruger cuttlebone som en hård opdriftstank til at kontrollere dens bevægelse op og ned af vandsøjlen, til dybder helt ned til 600 meter. Dyret justerer forholdet mellem gas og vand i den tank for at flyde op eller synke ned. For at tjene dette formål, skallen skal være let og porøs for aktiv væskeudveksling, men alligevel stiv nok til at beskytte blækspruttens krop mod stærkt vandtryk, når den dykker dybere. Når cuttlebone bliver knust af tryk eller af et rovdyrs bid, den skal kunne optage en masse energi. Den vej, skaden forbliver i et lokaliseret område af skallen, i stedet for at knuse hele cuttlebone.

Behovet for at balancere alle disse funktioner er det, der gør cuttlebone så unik, Lis team opdagede, da de undersøgte skallens indre mikrostruktur.

Ph.D. studerende og studiemedforfatter Ting Yang brugte synkrotron-baseret mikrocomputertomografi til at karakterisere cuttlebone-mikrostruktur i 3-D, penetrerer skallen med en kraftig røntgenstråle fra Argonne National Laboratory for at producere billeder i høj opløsning. Hun og holdet observerede, hvad der skete med skallens mikrostruktur, da den blev komprimeret ved at anvende in-situ tomografimetoden under mekaniske tests. Ved at kombinere disse trin med digital billedkorrelation, som giver mulighed for billede-for-billede sammenligning, de studerede cuttlebones fulde deformations- og frakturprocesser under belastning.

Deres eksperimenter afslørede mere om cuttlebones kammerede 'wall-septa' mikrostruktur og dens design til optimeret vægt, stivhed, og skadestolerance.

Designet adskiller cuttlebone i individuelle kamre med gulve og lofter, eller "septa, " understøttet af lodrette "vægge." Andre dyr, som fugle, har en lignende struktur, kendt som en sandwichstruktur. Med et lag af tæt knogle oven på en anden og lodrette stivere imellem til støtte, strukturen er lavet let og stiv. I modsætning til sandwichstrukturen, imidlertid, cuttlebones mikrostruktur har flere lag - disse kamre - og de er understøttet af bølgede vægge i stedet for lige stivere. Bølgeevnen øges langs hver væg fra gulv til loft i en 'bølgegradient'.

"Den nøjagtige morfologi har vi ikke set, i hvert fald i andre modeller, " sagde Li om designet. Dette væg-septa-design giver cuttlebone kontrol over, hvor og hvordan skaden opstår i skallen. Det giver mulighed for yndefulde, snarere end katastrofalt, fejl:når den er komprimeret, kamre svigter et efter et, progressivt snarere end øjeblikkeligt.

Forskerne fandt ud af, at cuttlebones bølgede vægge inducerer eller kontrollerer brud, der dannes midt på væggene, i stedet for ved gulve eller lofter, hvilket ville få hele strukturen til at kollapse. Da det ene kammer gennemgår vægbrud og efterfølgende fortætning - hvor de brækkede vægge gradvist komprimeres i det beskadigede kammer - forbliver det tilstødende kammer intakt, indtil brudstykker trænger ind i dets gulve og lofter. Under denne proces, en betydelig mængde mekanisk energi kan absorberes, Li forklarede, begrænse ekstern påvirkning.

Li's team undersøgte yderligere det højtydende potentiale i cuttlebones mikrostruktur med beregningsmodellering. Ved at bruge målinger af mikrostrukturen lavet med den tidligere 3-D tomografi, postdoc-forsker Zian Jia byggede en parametrisk model, kørte virtuelle tests, der ændrede bølgerne af strukturens vægge, og observerede, hvordan skallen fungerede som et resultat.

"Vi ved, at cuttlebone har disse bølgede vægge med en gradient, " sagde Li. "Zian ændrede gradienten, så vi kunne lære, hvordan cuttlebone opførte sig, hvis vi gik ud over denne morfologi. Er det bedre, eller ikke? Vi viser, at cuttlebone sidder et optimalt sted. Hvis bølgerne bliver for store, strukturen er mindre stiv. Hvis bølgerne bliver mindre, strukturen bliver mere skør. Cuttlebone ser ud til at have fundet et sødt sted, at balancere stivheden og energiabsorptionen."

Li ser anvendelser for cuttlebones mikrostrukturelle design i keramisk skum. Blandt skum, der anvendes til knusningsmodstand eller energiabsorption i emballage, transport, og infrastruktur, polymer- og metalmaterialer er de mere populære valg. Keramiske skum bruges sjældent, fordi de er skøre, sagde Li. Men keramik har deres egne unikke fordele - de er mere kemisk stabile og har en høj smeltetemperatur.

Hvis cuttlebones egenskaber kunne anvendes på keramiske skum, deres evne til at modstå høj varme parret med nyfundet skadetolerance kan gøre keramiske skum ideelle til brug som termiske beskyttelsesenheder i rumfærger eller som generel termisk beskyttelse, Li tror. Hans team har evalueret denne ansøgning i en separat undersøgelse.

Selvom holdet allerede er begyndt at se op fra havet til himlen efter de muligheder, cuttlebone inspirerer, deres undersøgelse af skallens grundlæggende designstrategier er lige så vigtigt for Li.

"Naturen laver en masse strukturelle materialer, " sagde Li. "Disse materialer er lavet ved stuetemperatur og regelmæssigt atmosfærisk tryk, i modsætning til metaller, som kan være skadeligt for miljøet at producere - du skal bruge høje temperaturer og brydningsprocesser for metaller.

"Vi er fascineret af sådanne forskelle mellem biologiske strukturelle materialer og konstruerede strukturelle materialer. Kan vi bygge bro mellem disse to og give indsigt i at lave nye strukturelle materialer?"