Forsker knækker den skjulte forstærkningsmekanisme i biologisk keramik

Ling Li, en assisterende professor i maskinteknik ved Virginia Tech, har fundet indsigt i at bygge stærkere og sejere keramik ved at studere skallerne af toskallede bløddyr.

Dette perspektiv dannes ved at se på kapaciteten af ​​de grundlæggende mineralske byggesten i skallen til at forudse brud, i stedet for kun at fokusere på strukturens form og kemi. Resultaterne af hans gruppes resultater blev offentliggjort i november 10, 2020, spørgsmål af Naturkommunikation .

Li's team gennemførte en dybdegående analyse af de mikroskopiske strukturer af skallerne af penskal-bløddyr, toskallede hjemmehørende i Caribien. Disse dyrs skaller består af to lag, et indre perlemorlag og et brunfarvet ydre lag. Det indre Nacre-lag, også kendt som perlemor, er ofte iriserende på grund af dens regelmæssige nanoskopiske lagstruktur, ligner farvemekanismen for mange flaskefluevinger.

Li's team fokuserede deres opmærksomhed på det ydre lag, som er sammensat af prismeformede calcitkrystaller arrangeret i et mosaikmønster. Mellem tilstødende mineralkrystaller, meget tynd (ca. 0,5 mikrometer, mindre end en hundrededel af størrelsen på et menneskehår) er der organiske grænseflader til stede, der limer krystallerne sammen. Calcitkrystallerne måler cirka en halv millimeter i længden og 50 mikrometer i diameter, ligner aflange prismer.

I modsætning til mange geologiske eller syntetiske krystaller, hvor atomerne i deres krystallinske korn er perfekt arrangeret på en periodisk måde, calcitkrystallerne i penneskallerne indeholder mange nanoskopiske defekter, primært sammensat af organiske stoffer.

"Du kan overveje den biologiske keramik, i dette tilfælde penneskallernes calcitkrystaller, som en sammensat struktur, hvor mange indeslutninger i nanostørrelse er fordelt i dens krystallinske struktur, " sagde Li. "Dette er især bemærkelsesværdigt, da calcitkrystallen i sig selv stadig er en enkelt krystal."

Normalt, tilstedeværelsen af ​​strukturelle defekter betyder et sted med potentielt svigt. Det er derfor, den normale tilgang er at minimere de strukturelle diskontinuiteter eller spændingskoncentrationer i tekniske strukturer. Imidlertid, Lis team viser, at størrelsen, mellemrum, geometri, orientering, og fordelingen af ​​disse nanoskala defekter i biomineralet er meget kontrolleret, forbedrer ikke kun den strukturelle styrke, men også skadetolerancen gennem kontrolleret revnedannelse og brud.

Når disse skaller udsættes for en ydre kraft, krystallen minimerer plastisk eftergivelse ved at forhindre dislokationsbevægelsen, en almindelig måde for plastisk deformation i ren calcit, hjulpet af disse interne nanoskopiske defekter. Denne forstærkningsmekanisme er blevet anvendt i mange strukturelle metallegeringer, såsom aluminiumslegering.

Ud over at tilføje styrke, dette design gør det muligt for strukturen at bruge sine revnemønstre for at minimere skader på den indre skal. Det mosaiklignende sammenlåsende mønster af calcitkrystallerne i prismelaget indeholder yderligere storskader, når den ydre kraft spredes ud over de enkelte krystaller. Strukturen er i stand til at revne for at sprede den eksterne belastningsenergi uden at fejle.

"Det er klart, at disse nanoskopiske defekter ikke er en tilfældig struktur, men i stedet, spiller en væsentlig rolle i at kontrollere de mekaniske egenskaber af denne naturlige keramik, " sagde Li. "Gennem mekanismerne opdaget i denne undersøgelse, organismen forvandler virkelig den oprindeligt svage og sprøde calcit til en stærk og holdbar biologisk rustning. Vi eksperimenterer nu med mulig fremstillingsproces, såsom 3-D print, at implementere disse strategier for at udvikle keramiske kompositter med forbedrede mekaniske egenskaber til strukturelle applikationer."