De ruimtelijke verdeling van vezels in holle bamboecilinders is geoptimaliseerd om de buigstijfheid te versterken, een nieuwe bevinding die licht werpt op biomimetische benaderingen bij de ontwikkeling van materialen.

Licht en stoer, bamboe wordt veel gebruikt als een natuurlijke, functioneel materiaal in Japan en andere Aziatische landen. Bamboe is licht door zijn holle structuur, waardoor de plant sneller kan groeien met kleine hoeveelheden houtachtige delen en zichzelf blootstelt aan zonlicht boven andere bomen. Maar deze lichtheid maakt bamboe ook kwetsbaar voor sterke zijwind en kan het voor de plant moeilijk maken om zijn eigen gewicht te dragen. Om deze tekortkoming te verhelpen, de houtachtige delen van bamboe zijn versterkt met dunne maar stevige vezels (vaatbundels). Elke vezel is zo stijf als staal.

Bij het onderzoeken van een dwarsdoorsnede van bamboe blijkt dat de vezels in de houtachtige delen niet gelijk verdeeld zijn. De dichtheid van de vezels wordt geleidelijk dikker van binnen naar buiten, wat suggereert dat de buitenste delen zijn, mechanisch gesproken, sterker dan de binnenste delen. Dit is redelijk omdat de buitenste delen meer kracht krijgen wanneer de cilinder wordt gebogen.

Om de relatie tussen de verdeling van de versterkende vezels in een halm en de buigstijfheid van de halm te bepalen, onderzoekers van de Hokkaido University, Prefectural University of Kumamoto en de University of Yamanashi vergeleken de gegevens van de echte bamboevezeldistributie met de theoretisch afgeleide optimale vezeldistributie.

Verrassend genoeg, de echte bamboegegevens vertoonden bijna dezelfde vezelverdeling als die met de theoretische, optimale vezelverdeling. In de buurt van de wortel van de halm, waar een groot aantal vezels wordt gevonden, de echte vezelverdeling kwam overeen met de theoretisch afgeleide kwadratische vorm voor gradiëntverdeling. In de buurt van het puntje van de halm, waar er veel minder vezels zijn dan bij de wortel, de experimentele gegevens kwamen overeen met de volgens de theorie berekende lineaire verdeling.

Als resultaat, de onderzoekers ontdekten dat bamboe de verdeling van vezels precies aanpast, zodat de buigstijfheid wordt gemaximaliseerd met het kleinst mogelijke volume houtmateriaal. De mechanische theorie die in dit onderzoek is gebruikt, daarom, kan worden toegepast op andere holle cilinders om de gradiëntverdeling te bepalen die de buigstijfheid kan optimaliseren.

"Onze studie kan helpen bij het ontwikkelen van geavanceerde materialen door het bamboemodel na te bootsen vanwege zijn lichtheid en taaiheid. Door de systemen van dieren en planten na te bootsen die zware omstandigheden hebben overleefd, een aanpak genaamd biomimetica is de afgelopen jaren succesvol gebleken bij het oplossen van veel problemen bij de ontwikkeling van materialen, " merkte Motohiro Sato op, de hoofdauteur aan de Hokkaido University.