Undersøgelse afslører hemmeligheder bag en bløddyrs unikke biokeramiske rustning

MIT -forskere afdækker hemmelighederne bag et havdyrs defensive rustning - en der er usædvanlig hård, alligevel optisk klar.

En havdyrs skaller, bløddyret Placuna placenta , er ikke kun usædvanligt hårde, men også klar nok til at læse igennem. Nu, forskere ved MIT har analyseret disse skaller for at bestemme præcis, hvorfor de er så modstandsdygtige over for penetration og skader - selvom de er 99 procent calcit, en svag, sprødt mineral.

Skallernes unikke egenskaber stammer fra en specialiseret nanostruktur, der tillader optisk klarhed, samt effektiv energispredning og evnen til at lokalisere deformation, fandt forskerne. Resultaterne offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Naturmaterialer , i et papir medforfatter af MIT-kandidatstuderende Ling Li og professor Christine Ortiz.

Ortiz, Morris Cohen -professor i materialevidenskab og teknik (og MIT's dekan for kandidatuddannelse), har længe analyseret de komplekse strukturer og egenskaber ved biologiske materialer som mulige modeller for nye, endnu bedre syntetiske analoger.

Konstrueret keramikbaseret rustning, mens den er designet til at modstå penetration, mangler ofte evnen til at modstå flere slag, på grund af stor deformation og brud, der kan kompromittere dens strukturelle integritet, Siger Ortiz. I gennemsigtige rustningssystemer, sådan deformation kan også skjule synligheden.

Skabninger, der har udviklet naturlige eksoskeletter-mange af dem keramikbaserede-har udviklet geniale designs, der kan modstå flere gennemtrængende angreb fra rovdyr. Skallerne af et par arter, såsom Placuna placenta , er også optisk klare.

For at teste præcis, hvordan skallerne - som kombinerer calcit med omkring 1 procent organisk materiale - reagerer på penetration, forskerne udsatte prøver for indrykningstest, ved hjælp af en skarp diamantspids i et eksperimentelt setup, der kunne måle belastninger præcist. De brugte derefter analysemetoder i høj opløsning, såsom elektronmikroskopi og diffraktion, at undersøge den resulterende skade.

Materialet isolerer oprindeligt skader gennem en proces på atomniveau kaldet "twinning" inden for de enkelte keramiske byggesten:En del af krystallen skifter sin position på en forudsigelig måde, efterlader to regioner med samme retning som før, men med en portion forskudt i forhold til den anden. Denne venskabsprocess forekommer overalt i den stressede region, hjælper med at danne en slags grænse, der forhindrer skaden i at sprede sig udad.

MIT-forskerne fandt ud af, at twinning derefter aktiverer "en række yderligere energispildningsmekanismer ... som bevarer den mekaniske og optiske integritet af det omgivende materiale, "Siger Li. Dette producerer et materiale, der er 10 gange mere effektivt til at sprede energi end det rene mineral, Tilføjer Li.

Egenskaberne ved denne naturlige rustning gør den til en lovende skabelon til udvikling af bioinspirerede syntetiske materialer til både kommercielle og militære applikationer-såsom øjen- og ansigtsbeskyttelse til soldater, vinduer og forruder, og sprængningsskærme, Siger Ortiz.