Naturens rustning kunne hjælpe ingeniører med at designe stærkere materialer

(PhysOrg.com) -- I naturen, styrken af ​​perlemor er en nøgle til overlevelse for nogle skaldyr. Nu er et hold ledet af Xiaodong Li, en ingeniørprofessor ved University of South Carolina, har givet en forklaring på den usædvanlige modstandskraft, som dette vigtige defensive skjold udviser over for rovdyrsangreb. I betragtning af de omfattende nanoskalastrukturer, som biologi naturligt inkorporerer i perlemor, forskerholdet mener, at resultaterne kan tjene som en plan for udvikling af hårde nye materialer i laboratoriet.

"I lang tid, vi har troet, at vi forstod, hvordan disse biomaterialer i nanoskala fungerer - men det viser sig, at vi bare ved en lille smule, " sagde Li, hvis team offentliggjorde deres resultater i en netop udgivet artikel i Nature Publishings nye tidsskrift, Videnskabelige rapporter .

Perlemor, også kaldet Nacre, udgør den indre skalforing af perlemuslinger og nogle andre bløddyr. Perlerne selv er lavet af perlemor, som er et sammensat nanomateriale konstrueret af skaldyrenes biomaskineri. Små krystalkorn af calciumcarbonat er arrangeret i en regelmæssig, indviklet mønster og bundet sammen af ​​biopolymerer i Nacres struktur, hvilket tilføjer en enorm mængde stabilitet til materialet:det er omkring 1000 gange mere modstandsdygtigt over for revner fra stød end den krystallinske form af calciumcarbonat (mineralet aragonit), der udgør hovedparten af ​​perlemor.

Ja, calciumcarbonat i sig selv er måske bedst kendt som tavlekridt; dens tendens til at smuldre underminerer enhver forestilling om, at den ville tjene som et effektivt middel til at stoppe en kugle. Og alligevel organiserer naturen en kompleks mursten-og-mørtel-lignende struktur - med mursten af ​​calciumcarbonat, der måler i rækken af ​​nanometer - for at skabe et utroligt sejt materiale, meget stærkere end summen af ​​dets dele. Perlemors glitrende kvalitet er et biprodukt af denne struktur, fordi det synlige lys, som det reflekterer, har bølgelængder, der svarer i størrelse til de nanoskala mursten deri.

Nacres styrke under pres, Li forklarede, er usædvanligt og noget imod intuitionen. Når den presses hurtigt (dynamisk belastning), den tåler langt mere tryk, end når den klemmes langsomt (statisk belastning). "Dette er et træk ved naturlige materialer med nanopartikelarkitekturer, " sagde Li, "Næppe nogen menneskeskabt keramik har denne egenskab, hvilket ville være uvurderligt i applikationer som panser, så det er meget vigtigt at forstå, hvordan det virker."

Den øgede styrke af Nacre i lyset af hurtigt pres har været kendt i 10 år, men årsagerne til det er forblevet uklare. Så Li's team satte sig for at forstå mekanismen ved at fokusere på strukturen af ​​Nacre på nanoskala. De skar præcist perlemorprøver fra californisk rød abalone og udsatte dem for både dynamisk og statisk belastning. Nacreen, der blev presset hurtigt - den ballistiske prøve, på en måde - yde mere end dobbelt så meget modstand før frakturering, end den der presses langsomt. Så Li og kolleger, som omfattede USC-forskere såvel som bidragydere fra University of North Carolina i Charlotte, brugt transmissionselektronmikroskopi til at adressere detaljerne om brud på nanoskala niveau.

Deres resultater var fuldstændig uventede. Under hurtig kompression ballistiske forhold, partiklerne i nanoskala arbejder sammen for at begrænse materialets bøjning. Forskerne konkluderede, at deformations-twinning, en proces, der ses i nogle metaller og en særlig indikator for styrke i forhold til stress, kommer i spil med partiklerne i nanoskala af calciumcarbonat. Men denne mekanisme var kun tydelig under ballistiske forhold, ikke under langsommere påføring af pres. Li's team konkluderede også, at delvise dislokationer i nanostrukturen giver yderligere styrke til materialet, men igen, det skete kun under de ballistiske forhold.

Når de bliver konfronteret med en kort, kraftfulde fremstød fra et rovdyr - en aktivitet, som skaldyr har brugt mange millioner af år på at udbygge deres forsvar mod - de nanostrukturelle mursten i den overordnede perlemorstruktur arbejder sammen for at absorbere påvirkningen og maksimere modstanden. Stress absorberes og fjernes først i selve nanostrukturen, før selve materialet bliver overmandet og brækker.

Nu hvor Lis team har belyst midlerne til perlemors øgede forsvar, ingeniører kan prøve at anvende lektionerne på syntetiske materialer. "Det egentlige mål er at være i stand til at designe disse materialer, " sagde Li. "At forstå mekanismen er det første skridt til at gøre, som blot et eksempel, bedre skudsikre materialer."