Door gebruik te maken van het iriserende parelmoer dat vaak aan de binnenkant van schelpen wordt aangetroffen, onderzoekers hebben een nieuw composietglas ontwikkeld met een sterk verhoogde weerstand tegen schokken.

De transparantie en duurzaamheid van glas maken het tot het materiaal bij uitstek voor talloze toepassingen. Maar of het nu wordt gebruikt "in een auto, een gebouw of een smartphone, glascomponenten zijn altijd de zwakste schakels en de meest kwetsbare in het hele systeem, " zei François Barthelat, een werktuigbouwkundig ingenieur aan de McGill University in Montreal die samen met zijn collega's het nieuwe glas bedacht. Onder stress, de inherent broze aard van glas betekent dat reeds bestaande gebreken erin zich kunnen verspreiden, plotselinge catastrofale mislukking veroorzaken.

Strategieën om glas slagvaster te maken zijn onder meer lamineren, die twee of meer glasplaten aan elkaar bindt met daartussen dunne lagen hars of andere polymeren, en temperen, die glas hard maakt door opnieuw te verwarmen en snel af te koelen. Echter, Barthelat en zijn collega's denken dat ze het beter kunnen doen door naar de natuur te kijken voor inspiratie.

De afgelopen 15 jaar, ze hebben zich gericht op de structuur en mechanica van parelmoer, een opalen slagvast materiaal, ook bekend als parelmoer, dat helpt de zachte lichamen van weekdieren te beschermen tegen sterke kaken van roofdieren. "Dieren nemen relatief zwakke ingrediënten - een broos mineraal, zachte eiwitten - en verander ze in een hard maar extreem taai pantser, ' zei Barthelat.

De sleutel tot de taaiheid van parelmoer ligt in hoe het materiaal is gebouwd als een bakstenen muur, samengesteld uit gestapelde lagen van platte microscopisch kleine mineraaltabletten die aan elkaar zijn gemetseld door eiwitten. Deze broze calciumcarbonaatstenen kunnen bij stress langs elkaar glijden, helpt parelmoer schokken te absorberen.

Om parelmoer na te bootsen, de onderzoekers gebruikten een gepulste ultraviolette laserstraal om vierkante of hexagonale patronen te etsen op reguliere borosilicaatglasplaten van 220 micron dik, of ongeveer twee keer de gemiddelde breedte van een mensenhaar. Deze gegraveerde platen werden vervolgens gelamineerd met dunne lagen plastic van elk 125 micron dik. Tijdens dit proces, de glasplaten zijn gescheiden in afzonderlijke tegels, elk ongeveer 1 tot 4 millimeter breed.

"Hoewel de structurele eigenschappen van parelmoer al tientallen jaren bekend zijn, dit is de eerste keer dat een onderzoeksgroep dit concept heeft vertaald naar gelaagd glas, " zei bouwkundig ingenieur Kyriaki Corinna Datsiou aan de Universiteit van Nottingham in Engeland, die niet hebben deelgenomen aan dit onderzoek, maar een perspectiefartikel hebben geschreven over het nieuwe onderzoek voor het tijdschrift waar het wordt gepubliceerd.

Het jarenlange onderzoek dat de wetenschappers naar parelmoer deden, onthulden belangrijke details die ze in hun glas wilden nabootsen. Bijvoorbeeld, de tegels mochten niet te lang zijn, anders zouden ze breken, maar als ze te kort waren, ze zouden ook breken, zei Barthelat. Het patroon moest ook zeer nauwkeurig zijn met beperkte willekeur, terwijl de lamineerlagen zeer vervormbaar moesten zijn, hij voegde toe.

De onderzoekers ontdekten dat hun parelmoerachtig glas twee tot drie keer slagvaster was dan gehard of gelaagd glas en 15 tot 24 keer meer dan gewoon glas. Tegelijkertijd, het was slechts marginaal minder transparant dan conventioneel gelaagd glas.

"Elke glaswetenschapper zal je vertellen dat het een slecht idee is om met een krachtige laser in een stuk glas te schieten, omdat het defecten zal veroorzaken en de sterkte zal verminderen, ' zei Barthelat. 'Echter, ons glas is een mooi voorbeeld waar materiaalverwijdering en schijnbaar verzwakkingsprocessen het materiaal eigenlijk veel beter maken!"

In aanvulling, "de fabricagemethode die we hebben ontwikkeld is relatief eenvoudig en schaalbaar - men zou heel gemakkelijk en tegen redelijke kosten industriële volumes van dit materiaal kunnen maken, " zei Barthelat. Toepassingen voor dit glas kunnen auto's en gebouwen omvatten "blootgesteld aan door de wind gedragen puin tijdens stormgebeurtenissen of aan explosies tijdens terrorisme- of misdaadscenario's, ' zei Datsiou.

De wetenschappers merkten op dat hun parelmoerachtig glas 10% tot 15% minder stijf was dan gewoon glas, waardoor het meer kans heeft om te bezwijken onder druk. Compenseren, ze stelden voor om een ​​effen glasplaat voor hun parelmoerachtige glas te plaatsen, wat de algehele sterkte zou kunnen verhogen tot 90% van die van gelaagd glas.

In de toekomst, de onderzoekers willen verschillende parelmoerachtige glazen maken, zoals gebogen voorwerpen, of ultradunne vellen voor touchscreens. "We willen ook versies van ons parelmoerglas ontwikkelen die buigbaar zijn - een dunne plaat van dit glas zou tot grote vervormingen buigen, en dan herstellen zonder schade, ' zei Barthelat.

Datsiou merkte ook op dat toekomstig parelmoerachtig glas andere kenmerken zou kunnen bevatten die te vinden zijn in natuurlijk parelmoer, zoals de golvende vorm of microscopisch ruwe oppervlakken van parelmoertabletten. Dit zou de stijfheid en andere kwaliteiten kunnen vergroten, ze legde uit.

De wetenschappers hebben hun bevindingen gedetailleerd beschreven in het nummer van 28 juni van het tijdschrift Wetenschap .

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Inside Science. Lees hier het originele verhaal. Gebruikt met toestemming. Inside Science is een redactioneel onafhankelijke nieuwsdienst van het American Institute of Physics.