Superveerkrachtige materialen die in het dierenrijk worden aangetroffen, danken hun sterkte en taaiheid aan een ontwerpstrategie die ervoor zorgt dat scheuren het kronkelende patroon van vezels volgen, catastrofale mislukking te voorkomen.

Onderzoekers in een recente reeks artikelen hebben dit gedrag tot in detail gedocumenteerd en creëren ook nieuwe composietmaterialen die zijn gemodelleerd naar het fenomeen. Het werk werd uitgevoerd door een team van onderzoekers aan de Purdue University in samenwerking met de University of California, Rivieroever.

De onderzoekers bestudeerden de bovennatuurlijke kracht van een composietmateriaal in een zeedier genaamd de bidsprinkhaangarnaal, die een slagvast aanhangsel gebruikt om zijn prooi tot onderwerping te dwingen.

"Echter, we zien dezelfde soort ontwerpstrategie niet alleen in de bidsprinkhaangarnaal, maar ook bij veel dieren, " zei Pablo Zavattieri, een professor in Purdue's Lyles School of Civil Engineering. "Kevers gebruiken het in hun schelpen, bijvoorbeeld, en we zien het ook in vissenschubben, kreeften en krabben."

Wat de bidsprinkhaangarnaal opvalt, is dat hij zijn gepantserde prooien (meestal weekdieren en andere krabben) kan verpletteren en verslaan, die ook bekend staan ​​om hun schadetolerantie en uitstekende mechanische eigenschappen. De bidsprinkhaangarnaal verovert ze met zijn "dactyl club, " een aanhangsel dat een spervuur ​​van woeste effecten ontketent met de snelheid van een .22 kaliber kogel.

Nieuwe bevindingen tonen aan dat het composietmateriaal van de club eigenlijk harder wordt als een scheur probeert te draaien, in feite het stoppen van de voortgang. Deze scheurverdraaiing wordt geleid door de vezels van het materiaal van chitine, dezelfde stof die wordt aangetroffen in veel schelpen van zeeschaaldieren en exoskeletten van insecten, gerangschikt in een spiraalvormige architectuur die lijkt op een wenteltrap.

"Dit mechanisme is nog nooit in detail bestudeerd, Zavattieri zei. "Wat we ontdekken is dat als een scheur de drijvende kracht om te groeien verdraait, de scheur geleidelijk afneemt, bevordering van de vorming van andere soortgelijke mechanismen, die voorkomen dat het materiaal catastrofaal uit elkaar valt. Ik denk dat we eindelijk kunnen verklaren waarom het materiaal zo taai is."

Twee artikelen zijn gepubliceerd in het Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials en het International Journal of Solids and Structures. De artikelen waren co-auteur van Purdue-promovendus Nobphadon Suksangpanya; UC Riverside-promovendus Nicholas A. Yaraghi; David Kisailus, een UC Riverside hoogleraar chemische en milieutechniek en materiaalwetenschap en techniek; en Zavattieri.

"Deze opwindende nieuwe analytische, computationeel en experimenteel werk, die een vervolg is op onze initiële biocomposietkarakterisering van de helicoïde in de club van de bidsprinkhaangarnalen en biomimetisch composietwerk, geeft echt een dieper inzicht in de mechanismen van verharding binnen deze unieke structuur, ' zei Kisailus.

"De nieuwigheid van dit werk is dat, aan de theoretische kant, we hebben een nieuw model ontwikkeld, en aan de experimentele kant gebruikten we gevestigde materialen om composieten te maken die deze theorie valideren, ' zei Zavattieri.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat deze helicoïdale architectuur van nature is ontworpen om de herhaalde slagen met hoge snelheid te overleven, onthullend dat de vezels ook in een visgraatpatroon in de buitenste laag van het aanhangsel zijn gerangschikt.

In het nieuwe onderzoek het team heeft specifiek geleerd waarom dit patroon zo'n taaiheid geeft:als er scheuren ontstaan, ze volgen het kronkelende patroon in plaats van zich recht over de structuur te verspreiden, waardoor het mislukt. Foto's gemaakt met een elektronenmicroscoop aan UC Riverside laten zien dat in plaats van dat een enkele scheur zich blijft voortplanten, er vormen zich talloze kleinere scheuren - die de energie die door het materiaal wordt geabsorbeerd bij een botsing afvoeren.

De onderzoekers hebben 3D-geprinte composieten gemaakt en getest, gemodelleerd naar het fenomeen, het vastleggen van het scheurgedrag met camera's en digitale beeldcorrelatietechnieken om de vervorming van het materiaal te bestuderen.

Byron-pijpen, Purdue's John L. Bray Distinguished Professor of Engineering, hielp Suksangpanya bij het vervaardigen van glasvezelversterkte composieten waarin dit fenomeen is verwerkt.

"We zijn bezig met het opzetten van nieuwe mechanismen die voorheen niet beschikbaar waren voor composieten, "

zei Zavattieri. "Traditioneel, wanneer we composieten produceren, voegen we vezels samen op manieren die niet optimaal zijn, en de natuur leert ons hoe we het moeten doen."

De bevindingen helpen nu de ontwikkeling van lichtere, sterkere en taaiere materialen voor vele toepassingen, waaronder ruimtevaart, auto en sport.