Baseret på nanostrukturen af ​​søpindsvinsryggene, team udvikler cement, der er væsentligt mere modstandsdygtig over for brud

Søpindsvinsrygge er for det meste lavet af calcit, men ryggene er meget mere holdbare end dette råmateriale alene. Grunden til deres styrke er den måde, naturen optimerer materialer på ved hjælp af en murstensvæg-stil arkitektur. Et forskerhold ledet af professor Helmut Cölfen har med succes syntetiseret cement på nano-niveau efter dette "mursten og mørtel"-princip. Under denne proces, Der blev identificeret makromolekyler, der påtager sig funktionen som mørtel, fastgørelse af de krystallinske blokke til hinanden på nanoskalaen, med blokkene, der samler sig selv på en ordnet måde. Målet er at gøre cement mere holdbart. Undersøgelsens resultater offentliggøres i 1. december 2017-udgaven af Videnskabens fremskridt .

"Vores cement, som er væsentligt mere modstandsdygtig over for brud end noget, der er blevet udviklet hidtil, giver os helt nye byggemuligheder, " siger Cölfen. En søjle lavet af denne cement kunne bygges 8, 000 meter høj, eller ti gange så høj som den nuværende højeste bygning i verden, før materialet ved bunden ville blive ødelagt af dets vægt. Normalt stål, som har en værdi på 250 megapascal, kunne kun nå 3, 000 meter i højden.

Inden for nanovidenskab, Arkitektur i murstensvægstil kan sammenlignes med en murers arbejde:Hvert lag mursten, der lægges, holdes på plads af mørtel. Det vejledende princip er at lag hårdt, derefter blød, hårdt, derefter bløde materialer. Det er præcis det princip, naturen bruger for at gøre søpindsvinsrygge så modstandsdygtige. Når der påføres kraft på den skøre calcit, dens krystallinske blok revner, imidlertid, energien overføres derefter til et blødt uordnet lag. Da dette materiale ikke har nogen spaltningsplaner at rive, det forhindrer yderligere revner. Et tyndt udsnit af søpindsvinsryggen afslører dette strukturelle princip:Krystallinske blokke i en velordnet struktur er omgivet af et blødere amorft område. I søpindsvinens tilfælde, dette materiale er calciumcarbonat.

Muslingeskaller eller knogler er konstrueret på nogenlunde samme måde. "Vores mål er at lære af naturen, " siger Helmut Cölfen. Forskeren er blevet hædret adskillige gange for sine banebrydende resultater inden for krystallisation, med, for eksempel, Akademiprisen 2013 fra Berlin-Brandenburg Academy of Sciences and Humanities. Bionics eller biomimetik er det udtryk, der bruges til at bruge naturfænomener til at inspirere til teknisk udvikling.

Cement i sig selv har en uordnet struktur - hver komponent klæber til alle de andre. Dette betyder, at for at cement virkelig kan drage fordel af den øgede stabilitet, som murstens- og mørtelkonstruktionen giver, dens struktur skal reorganiseres på nano-niveau. Helmut Cölfen beskriver processen som "kodning af brudmodstand på nano-niveau." I dette tilfælde, det betyder at identificere et materiale, der kun binder sig til cementnanopartikler og intet andet i cementen. Omkring ti negativt ladede peptidkombinationer blev identificeret, som både klæber til og binder materialer godt.

I samarbejde med universitetet i Stuttgart, holdet var i stand til at bruge en ionstråle under et elektronmikroskop til at skære en stangformet mikrostruktur ud af den nanostrukturerede cement, der var tre mikrometer stor. Denne mikrostruktur blev derefter bøjet ved hjælp af en mikromanipulator. Så snart den blev udgivet, mikrostrukturen vendte tilbage til sin oprindelige position. Mekaniske værdier kunne beregnes baseret på den elastiske deformation af mikrostrukturen. Baseret på disse beregninger, den optimerede cement opnåede en værdi på 200 megapascal. Til sammenligning:Muslingeskaller, som er guldstandarden inden for brudmodstand, nå en værdi på 210 megapascal, som kun er lidt højere. Den beton, der almindeligvis anvendes i dag, har en værdi på to til fem megapascal.

Se pigge og muslingeskaller er lavet af calcit, fordi store mængder calcium er tilgængeligt i vand. Helmut Cölfen forklarer:"Folk har meget bedre byggematerialer end calcit. Hvis det lykkes os at designe materialers strukturer og gengive naturens tegninger, vi vil også være i stand til at producere meget mere brudbestandige materialer - højtydende materialer inspireret af naturen."