Forskere udvikler bioinspireret Bouligand-struktur for forbedrede mekaniske egenskaber

Bouligand strukturer, der findes i naturlige materialer som fiskeskæl, hummer bughinde og knogler, er kendt for at give exceptionelle mekaniske egenskaber til biomaterialer. Mens der er gjort fremskridt med at skabe bioinspirerede materialer, har det meste forskning fokuseret på at sætte fibrene sammen. Der er behov for en dybere forståelse af, hvordan fibrene interagerer for at forbedre de mekaniske funktioner.

Et forskerhold ledet af akademiker Yu Shuhong fra University of Science and Technology of China (USTC) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS) har introduceret en bioinspireret Bouligand-struktur med en hierarkisk og rekonfigurerbar interfibrøs grænseflade, der markant øger den mekaniske styrke og sejhed gennem dynamisk belastningsoverførsel og energiafledning, der tilbyder en ny strategi til at skabe avancerede strukturelle materialer.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Holdet havde oprindeligt brugt bakterielle cellulosenanofibre som en modelmatrix, men kæmpede for at forstå, hvordan nanofiberorientering påvirkede mikromekanisk adfærd. For at løse dette problem udførte de storskala molekylær dynamiksimuleringer med forskellige orienteringsvinkler.

Resultaterne afslørede, at optimering af hydrogenbindingsnetværkets dimension gennem tværbindingsstrukturer forbedrede belastningsoverførselskapaciteten og skadesbestandigheden.

Desuden observerede holdet, at for store orienteringsvinkler svækkede belastningsoverførselseffektiviteten og interchain-brintbindingstætheden, hvilket resulterede i nedsatte mekaniske egenskaber. Dette fremhævede vigtigheden af ​​moderat ordentlighed for optimal grænsefladeinteraktion.

Moderat orden, integreret mikrostruktur og hydrogenbinding, der overgår høj strukturel orden på grund af afvejninger mellem strukturel orientering, fibersammenkobling og hydrogenbindingsnetværksdimensioner.

Derudover identificerede holdet en stor skyggezone omkring revner og afslørede mikrobevægelse af nanofiber-primitiver. Krydspolariserende lys blev brugt til at overvåge denne mikrobevægelse i membranlaget, hvilket muliggjorde fremstilling af bioinspirerede Bouligand-strukturmaterialer med multiskalakobling gennem spiralformet stabling og varmpressefortætning.

USTC's bioinspirerede Bouligand-struktur muliggjort af moderat orden udviser fremragende mekaniske egenskaber og dimensionsstabilitet og kan have applikationer inden for biomedicinske områder såsom reparation og udskiftning af fibrobruskvæv.

Flere oplysninger: Si-Ming Chen et al., Hierarkisk og rekonfigurerbar interfibrøs grænseflade af bioinspireret Bouligand-struktur muliggjort af moderat orden, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl1884

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Science and Technology i Kina