parelmoer, ook wel parelmoer genoemd is een composiet, organisch-anorganisch materiaal geproduceerd in de natuur in de binnenste schelplaag van weekdieren en de buitenste laag van parels. Het materiaal is veerkrachtig en iriserend met hoge sterkte en taaiheid, als gevolg van zijn baksteen-en-mortel-achtige architectuur. Lichtgewicht en sterke materialen zijn interessant in de materiaalkunde vanwege hun potentieel in multidisciplinaire toepassingen in de sport, ruimtevaart, transport en biogeneeskunde. In een recente studie, nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Yang Yang en medewerkers van de interdisciplinaire afdelingen Systems Engineering, Chemisch, Biomedische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Zuid-Californië, ontwikkelde een route om op parelmoer geïnspireerde hiërarchische structuren te bouwen met complexe 3D-vormen via elektrisch geassisteerd 3D-printen.

Om een ​​baksteen-en-mortel-achtige structuur in het werk te creëren, ze hebben grafeen-nanoplaatjes (GN's) uitgelijnd als stenen in het elektrische veld (433 V / cm) tijdens 3D-printen en de polymeermatrix als een mortel opgenomen. De bio-geïnspireerde 3D-geprinte parelmoer met uitgelijnde GN's (2 procent gewicht) waren lichtgewicht (1,06 g/cm ³ ), zij het met specifieke taaiheid en sterkte vergelijkbaar met de natuurlijke parelmoer tegenhanger. De 3D-geprinte lichtgewicht, slimme pantseruitgelijnde GN's kunnen oppervlakteschade detecteren om weerstandsverandering uit te oefenen tijdens elektrische toepassingen. De studie bracht interessante mogelijkheden aan het licht voor bio-geïnspireerde nanomaterialen met hiërarchische architectuur getest in een proof-of-principle, mini slimme helm. Geprojecteerde toepassingen omvatten geïntegreerde mechanische versterking, elektrische zelfdetectiemogelijkheden in de biogeneeskunde, lucht- en ruimtevaarttechniek en militaire en sporttoestellen.

Lichtgewicht en sterke structurele materialen zoals multifunctionele draagbare sensoren hebben steeds meer aandacht getrokken in gezondheidsmonitoring, maar de meeste piëzo-elektrische sensoren zijn zacht en kunnen het betreffende oppervlak niet beschermen. Een beschermende, multifunctionele draagbare sensor is daarom momenteel in trek voor militaire en sporttoepassingen. De hiërarchische structuur van parelmoer in de natuur zorgt voor superieure mechanische prestaties, ondanks de relatief zwakke bestanddelen om het zachte lichaam van weekdieren te beschermen. Het geheim van zijn beschermende vermogen is inherent aan zijn bakstenen en mortel (BM) -architectuur die varieert van nano- en micro- tot macroschaal.

Deze uitstekende materiaaleigenschap vormde de basis voor het ontwerpen van lichte en sterke bepantsering voor microstructurele interfaces in de materiaalkunde. Hoewel traditioneel, bottom-up assemblageprocessen zoals vacuümfiltratie, spuitcoating, ijstemplating en zelfassemblage werden eerder intensief bestudeerd om op parelmoer geïnspireerde architecturen te bouwen, de methoden waren alleen gericht op tweedimensionale (2D) dunnefilmvorming of eenvoudige bulkstructuren. Aangezien het een uitdaging is om deze technieken te gebruiken om 3D-architecturen te ontwikkelen, is 3D-printen (additive manufacturing) een krachtig alternatief. Recente studies in materiaalkunde en bio-engineering hebben gebruik gemaakt van 3D-printen met schuifkrachten, magnetische en akoestische velden om versterkte composieten te vormen met uitgelijnde vezels.

In het huidige werk, Yang et al. presenteerde een elektrisch ondersteunde 3D-printmethode met behulp van uitgelijnde grafeen-nanoplaatjes (GN's) in fotocurable hars om de op parelmoer geïnspireerde hiërarchische architecturen te bouwen. De voorgestelde techniek maakte gebruik van de nanoschaal-naar-microschaal-assemblage veroorzaakt door het elektrische veld en microschaal-naar-macroschaal-assemblage via 3D-printen. De 3D-architecturen met uitgelijnde GN's (aGN's) vertoonden versterkte mechanische eigenschappen in vergelijking met willekeurige GN's (rGN's). Het 3D-geprinte kunstmatige parelmoer vertoonde specifieke taaiheid en sterkte vergelijkbaar met natuurlijk parelmoer, met extra anisotrope elektrische eigenschappen in tegenstelling tot de natuurlijke parelmoer.

De wetenschappers stellen voor om een ​​slimme helm te ontwikkelen met ingebouwde beschermende, zelfgevoelige mogelijkheden met behulp van het elektrisch ondersteunde 3D-printproces. De bio-geïnspireerde baksteen en mortel (BM) -architectuur kan de mechanische sterkte en elektrische geleiding verbeteren door grafeen-nanoplaatjes in elke laag uit te lijnen voor maximale prestaties via scheurafbuiging onder belasting. In totaal, Yang et al. doel om multifunctionele, lichtgewicht maar sterke en elektrisch zelfgevoelige 3D-structuren van laboratorium tot industrie.

Om de uitdagende hiërarchische, architectuur op micro-/nanoschaal van natuurlijk parelmoer, de wetenschappers gebruikten aGN's in een foto-uithardbaar polymeer, geënt met 3-aminopropyltriethoxysilaan (3-APTES) om het grensvlak en de belastingoverdracht op de sandwich-achtige polymeermatrix te versterken. Voor de fotocurable hars, ze gebruikten G ⁺ hars van Maker Juice Labs, genoteerd MJ, met hoge treksterkte epoxy diacrylaat, glycoldiacrylaat en een foto-initiator met uitstekende mechanische eigenschappen en lage viscositeit.

Om de GN's in de composiet uit te lijnen tijdens laaggebaseerd 3D-printen, Yang et al. gebruikten een elektrisch veld (433 V/cm) om op parelmoer geïnspireerde MJ/GN-composietstructuren te bouwen. De wetenschappers pasten gelijkspanningen toe, gevolgd door Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) -verzameling, optische beeldvorming en scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden om de nieuw ontwikkelde composieten te karakteriseren (d.w.z. testen). De resulterende parallelle en dicht opeengepakte GN-monsterlagen werden structureel gescheiden door de polymeermatrix ertussen als mortel om de kritische structurele kenmerken voor mechanische prestaties in het 3D synthetische parelmoer te verlenen. De wetenschappers zagen overeenkomsten tussen de synthetische versus natuurlijke parelmoerstructuur op macro- en microschaal.

Voorafgaand aan het 3D-printen, Yang et al. maakte eerst het parelmoermodel met behulp van SolidWorks-software, en vervolgens in plakjes gesneden met in-house ontwikkelde digitale micromirror device (DMD)-gebaseerde stereolithografiesoftware om oppervlaktepatronen te genereren. Ze projecteerden gemaskeerde beelden van de berekende patronen op het harsoppervlak om lagen te construeren waarin het elektrisch ondersteunde 3D-printproces de geprogrammeerde onderdelen uitlijnde en selectief polymeriseerde voor een specifieke versterkingsoriëntatie, laag op elke laag van de MJ/GN-composieten om de gewenste structuur te creëren. De wetenschappers vormden de gewenste opening tussen de GN-uitlijning in de MJ-hars, voorafgaand aan fotocuratie met behulp van het DMD-lichtprojectiesysteem (3,16 mW/cm ² ) beschikbaar in de opstelling.

Vervolgens vergeleken ze het stress-rekgedrag van het 3D-geprinte paarlemoer met rGN's (willekeurig) en aGN's (uitgelijnd) voor verschillende verhoudingen. In vergelijking met natuurlijk parelmoer, de synthetische versie vertoonde aanvankelijk typische brosse breuken met scheurvoortplanting. Yang et al. gebruikte structurele simulatie met COMSOL Multiphysics om de plaats van spanningsconcentratie en het belang van nauwkeurige GN-uitlijning voor scheurafbuiging en energiedissipatie in de synthetische parelmoer aan te tonen. Toen ze structurele simulaties uitvoerden van geoptimaliseerde aGN-vellen met een gewicht van 2 procent in het onderzoek (2 gew.%), ze toonden de vorming van bruggen die leiden tot spanningsverdeling in het verbindingsgebied tussen de aGN's en de polymeermatrix om belastingen te dragen in plaats van het bevorderen van macroscopische scheurontwikkeling. De structuren bevatten covalente binding, waterstofbinding en π-π-interactie om de aGN's synergetisch te overbruggen voor verbeterde biomechanische eigenschappen.

Om de mechanische eigenschappen te testen, de wetenschappers voerden driepuntsbuigtests uit om de taaiheid van 3D-geprinte composieten met rGN's te meten, aGN's en een referentiemonster van zuiver polymeer. Na voldoende GN-uitlijning verkregen ze een stabiele scheurstop en afbuiging vergelijkbaar met natuurlijk paarlemoer, door de steenachtige bloedplaatjes te harden. De resultaten wezen op weerstand tegen breuk tijdens scheurgroei voor aGN's. De op parelmoer geïnspireerde aGN-composieten vertoonden overbrugging en vergrendeling die zich vertaalden in een toename van gedissipeerde energie en taaiheid, wat bijdraagt ​​aan de uitstekende scheurstopprestaties van het composiet. Het synthetische 3D-parelmoer was lichter dan natuurlijk parelmoer, met een lagere dichtheid in vergelijking met de vorige synthetische composieten.

De 3D-synthetische versie vertoonde een aanzienlijk verbeterde elektrische geleidbaarheid in tegenstelling tot natuurlijk paarlemoer, die Yang et al. getest met behulp van piëzoresistieve reacties die nuttig zijn voor zelfgevoelige militaire en sporttoepassingen. Als een proof-of-principle, de wetenschappers ontwierpen een draagbare 3D-helm voor een Lego-fietser en gebruikten de techniek om zijn zelfwaarnemingsvermogen te bestuderen. De helm bestaande uit aGN's vertoonde een verbeterde impact- en compressieweerstand in vergelijking met rGN's, geverifieerd met impacttests waarbij de rGN-helmen braken terwijl de aGN-helmen hun vorm behielden. Yang et al. toonde aan dat een helm samengesteld met aGN's (0,36 g) verbonden met een LED-lamp de impact van een ijzeren bal van 305 keer zijn gewicht (110 g) kon weerstaan, waarbij de helderheid van het LED-licht slechts licht afnam na de impact als gevolg van scheurvorming, energiedissipatie en verhoogde weerstand.

De wetenschappers construeerden een weerstand-condensator (RC) circuit om de veranderende weerstand te meten tijdens de impact en tijdens compressietests. In de rGN-helm was de LED altijd uit vanwege de grotere weerstand, relatief liet de kleinere weerstand van de aGN-helm het LED-lampje branden. Op deze manier, Yang et al. toonde aan hoe de nano-gelamineerde architectuur extrinsieke versteviging en verbeterde elektrische geleidbaarheid bood dankzij bio-geïnspireerde, uitgelijnde GN's in de nanocomposieten. Ze stellen voor om massa-aanpassing mogelijk te maken, geassisteerd met 3D-printmogelijkheden om de lichtgewicht slimme materialen met uitstekende mechanische en elektrische eigenschappen te vertalen voor commercieel levensvatbare toepassingen in wijdverbreide industrieën.

© 2019 Wetenschap X Netwerk