De schelpen van mariene organismen krijgen een pak slaag van inslagen als gevolg van stormen en getijden, rotsachtige kusten, en scherp getande roofdieren. Maar zoals recent onderzoek heeft aangetoond, één type schelp onderscheidt zich van alle andere door zijn taaiheid:de schelp.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben de geheimen achter de buitengewone schokbestendigheid van deze granaten onderzocht. En ze hebben aangetoond dat deze superieure sterkte kan worden gereproduceerd in technische materialen, mogelijk om de beste beschermende hoofddeksels en kogelvrije vesten ooit te bieden.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen , in een paper van MIT-afgestudeerde student Grace Gu, postdoc Mahdi Takaffoli, en McAfee hoogleraar techniek Markus Buehler.

Conch shells "hebben deze echt unieke architectuur, " legt Gu uit. De structuur maakt het materiaal 10 keer sterker dan paarlemoer, algemeen bekend als parelmoer. Deze taaiheid, of weerstand tegen breuken, komt uit een unieke configuratie gebaseerd op drie verschillende niveaus van hiërarchie in de interne structuur van het materiaal.

De structuur met drie niveaus maakt het erg moeilijk voor kleine scheurtjes om zich te verspreiden en te vergroten, zegt Gu. Het materiaal heeft een "zigzagmatrix, dus de scheur moet door een soort doolhof gaan om zich te verspreiden, ze zegt.

Tot voor kort, zelfs nadat de structuur van de schelp was begrepen, "Je zou het niet zo goed kunnen repliceren. Maar nu, ons lab heeft 3D-printtechnologie ontwikkeld waarmee we die structuur kunnen dupliceren en kunnen testen, " zegt Bühler, die het hoofd is van de afdeling Civiele en Milieutechniek.

Een deel van de innovatie die bij dit project betrokken was, was het vermogen van het team om zowel het gedrag van het materiaal te simuleren als de werkelijke prestaties onder realistische omstandigheden te analyseren. "Vroeger, veel testen [van beschermende materialen] was statisch testen, " legt Gu uit. "Maar bij veel toepassingen voor militair gebruik of sport is sprake van zeer dynamische belasting, " wat een gedetailleerd onderzoek vereist van hoe de effecten van een impact zich in de tijd verspreiden.

Voor dit werk, de onderzoekers deden tests in een valtoren waarmee ze precies konden zien hoe scheuren ontstonden en zich verspreidden - of zich niet verspreidden - in de eerste ogenblikken na een impact. "Er was een verbazingwekkende overeenkomst tussen het model en de experimenten, ' zegt Bühler.

Dat komt deels omdat het team in staat was om composietmaterialen in 3D te printen met nauwkeurig gecontroleerde structuren, in plaats van monsters van echte schelpen te gebruiken, die onvoorspelbare variaties kunnen hebben die de analyse kunnen bemoeilijken. Door de monsters af te drukken, "we kunnen exact dezelfde geometrie gebruiken" als gebruikt in de computersimulaties, "en we krijgen een zeer goede overeenkomst." Nutsvoorzieningen, bij het voortzetten van het werk, ze kunnen zich concentreren op het maken van kleine variaties "als basis voor toekomstige optimalisatie, ' zegt Bühler.

Om het relatieve belang van de drie structuurniveaus te testen, het team probeerde variaties van het materiaal te maken met verschillende niveaus van hiërarchie. Hogere niveaus van hiërarchie worden geïntroduceerd door kleinere lengteschaalkenmerken in de composiet op te nemen, als in een echte schelp. Zowaar, structuren op een lager niveau bleken significant zwakker te zijn dan het in dit onderzoek nagestreefde hoogste niveau, die bestond uit de cross-lamellaire kenmerken die inherent zijn aan natuurlijke schelphoorns.

Testen hebben uitgewezen dat de geometrie met de schelpachtige, gekruiste kenmerken waren 85 procent beter in het voorkomen van scheurgroei dan het sterkste basismateriaal, en 70 procent beter dan een traditionele opstelling van vezelcomposiet, zegt Gu.

Beschermende helmen en andere slagvaste uitrusting vereisen een sleutelcombinatie van zowel sterkte als taaiheid, Bühler legt uit. Kracht verwijst naar het vermogen van een materiaal om schade te weerstaan, welk staal doet het goed, bijvoorbeeld. Taaiheid, anderzijds, verwijst naar het vermogen van een materiaal om energie af te voeren, zoals rubber dat doet. Traditionele helmen gebruiken een metalen schaal voor sterkte en een flexibele voering voor zowel comfort als energieafvoer. Maar in het nieuwe composietmateriaal, deze combinatie van kwaliteiten wordt door het hele materiaal verspreid.

"Dit heeft stijfheid, zoals glas of keramiek, "Bühler zegt, maar het mist de broosheid van die materialen, dankzij de integratie van materialen met verschillende sterktes en flexibiliteiten in de composietstructuur. zoals multiplex, het composiet is opgebouwd uit lagen waarvan de "korrel, " of de interne uitlijning van de materialen, is van de ene laag naar de andere anders georiënteerd.

Door het gebruik van 3D-printtechnologie, dit systeem zou het mogelijk maken om geïndividualiseerde helmen of andere kogelvrije vesten te produceren. Elke helm, bijvoorbeeld, kan worden "op maat gemaakt en gepersonaliseerd; de computer zou het voor u optimaliseren, op basis van een scan van je schedel, en de helm zou speciaal voor jou worden bedrukt, "zegt Gu.

Het onderzoek werd ondersteund door het Office of Naval Research, een National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, het Defense University Research Instrumentation Program (DURIP), het Instituut voor Soldaat-nanotechnologieën (ISN), en de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada.