Teknik afslører dybere indsigt i sammensætningen af ​​perlemor, et naturmateriale

Nacre, det iriserende materiale, der beklæder bløddyrsskaller som perlemor og abalone, har længe været et værdsat fund blandt strandhyttere og skalsamlere, på grund af den naturlige skønhed og variation af farver, der kan findes deri. Men videnskabsmænd og ingeniører har også længe undret sig over og studeret Nacre; det er et sejt og stærkt materiale, sammensat af skiftende lag af aragonitplader og organisk proteinbaseret film. Den naturlige verden indeholder mange materialer, der har udviklet sig over tid for at optimere styrke, holdbarhed, og ydeevne. Da forskere og ingeniører søger at udvikle forbedrede og mere bæredygtige byggematerialer, de søger i stigende grad til naturen for at få inspiration.

Den fysiske sammensætning af Nacre gør det muligt for den at modstå betydelige mængder af tryk og skader langs blodpladerne uden at forårsage større skade i hele skallen. Det er blevet antaget af nogle, at der er mere på spil af de enkelte blodplader, hvilket giver dem en sådan ekstraordinær styrke og holdbarhed, men forskere har manglet værktøjer og processer til at grave dybere ned i forholdet mellem krystalorienteringen og de mekaniske egenskaber – indtil nu.

I løbet af de sidste to årtier, skallerne er typisk blevet testet for deres styrke ved hjælp af teknikker såsom makroskopisk bøjningstest, mikro-/nano-indrykning, og atomkraftmikroskop. Nu, MIT assisterende professor i civil- og miljøteknik Admir Masic, kandidatstuderende Hyun-Chae "Chad" Loh, og fem andre har kombineret scanningselektronmikroskopi og mikro-indentation med Raman-spektroskopi og udviklet en kraftfuld kemo-mekanisk karakteriseringsmetode, der tillader tredimensionel stress- og belastningskortlægning gennem en teknik kendt som piezo-Raman.

"Vi udviklede en metode til at udtrække vigtig kemo-mekanisk information fra et biologisk system, der er meget velkendt og undersøgt, " forklarer Masic, hvis resultater for nylig blev offentliggjort i Communications Materials. "Korrelerende mikro-indentation og piezo-Raman-resultater gjorde det muligt for os at evaluere og kvantificere mængden af ​​stress, der spredes gennem den hierarkiske struktur."

Den nye tilgang til at kvantificere materialets mekaniske ydeevne er nok til at være en stor nyhed i sig selv, men under processen, Masic og andre forskere - som han krediterer meget af arbejdet i dette samarbejde - blev overraskede over resultaterne.

"Vi brugte først disse værktøjer til at studere spændingshærdningsmekanismen i en skala på få mikron. vi bemærkede, at spredningen af ​​energi ikke var begrænset til mursten og mørtel strukturen, men påvirkede et meget større område, end vi havde forventet. Vi udvidede vores undersøgelsesområde til en større skala og fandt denne nye hærdemekanisme, der er relateret til en mesostruktur på en skala på 20 mikron, " siger Loh. Hvad forskerne fandt er, at stakke af co-orienterede aragonit-blodplader udgør et andet hierarkisk niveau af struktur, som hærder materialet, når det belastes.

Polariseret Raman, en anden teknik brugt i denne undersøgelse, hjalp holdet med at observere, hvad der er kendt som den krystallografiske orientering af aragonit-klodserne. Gennem undersøgelse af orienteringsmønstrene, forskere var i stand til at belyse den karakteristiske længdeskala af aragonitstablerne og relatere den til revneudbredelsesmønstrene. Revnerne forplantede sig mellem aragonitstablerne, viser deres mekaniske bidrag til Nacres sejhed.

"Dette gav os en åbning til potentielt at forklare, hvad der forårsager denne hærdning i større skalaer. Systematiske arrangementer af krystaller kan findes i andre biominerale materialer, såsom vores tænder, og materialernes mikrotekstur påvirker deres funktion direkte." siger Masic.

At efterligne naturlige materialer som perlemor har været en populær strategi til at designe nye materialer. Den lille skala af deres strukturer, imidlertid, udgør en udfordring for at replikere og fremstille de naturlige morfologier. "Med vores opdagelse, vi foreslår en ny biomimikstrategi for at simulere Nacres struktur på 10 mikron eller større skala, i stedet for nano-niveauet." siger Masic.

Det er spændende nyheder for forskere, der udforsker nye muligheder for syntetiske materialer inspireret af naturligt design.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.