Parelmoer - het iriserende deel van weekdierschelpen - is een affiche voor biologisch geïnspireerd ontwerp. Ondanks dat het gemaakt is van bros krijt, de ingewikkeld gelaagde microstructuur van parelmoer geeft het een opmerkelijk vermogen om de verspreiding van scheuren te weerstaan, een materiaaleigenschap die taaiheid wordt genoemd.

Ingenieurs die hardere materialen willen ontwerpen, hebben lang geprobeerd dit soort natuurlijke gelaagdheid na te bootsen, die ook in schelpen wordt aangetroffen, hertengewei en elders. Maar een nieuwe studie door onderzoekers van de Brown University dient als een waarschuwing:niet alle gelaagde structuren zijn zo taai.

De studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , testte een andere gelaagde microstructuur die bekend staat om zijn fysieke eigenschappen - de ankerspicula van een zeespons genaamd Euplectella aspergillum. De spicules zijn minuscule filamenten van gelaagd glas die de sponzen tegen de zeebodem houden. De gelaagde structuur van de spicules wordt vaak vergeleken met die van parelmoer, zeggen de onderzoekers, en er is aangenomen dat de spicule-structuur op dezelfde manier de taaiheid verbetert. Deze nieuwe studie vindt anders.

"Ondanks de overeenkomsten tussen de architecturen van parelmoer en Euplectella spicules, we ontdekten dat de architectuur van de spicule relatief weinig doet in termen van het verbeteren van de taaiheid, in tegenstelling tot een lang gekoesterde veronderstelling, " zei Max Monn, een onlangs afgestudeerde Ph.D. student aan Brown en een co-auteur van een studie.

Voor de studie, de onderzoekers vergeleken de taaiheid van Euplectella-spicules met die van een andere sponssoort, Tethya aurantia. Tethya-spicules hebben een vergelijkbare chemische samenstelling als Euplectella-spicules, maar missen de gelaagde structuur. Om de taaiheid te testen, het team zette kleine inkepingen in de spicules en boog ze vervolgens. Door de energie te meten die wordt verbruikt wanneer scheuren zich voortplanten uit de inkepingen onder buigbelasting, de onderzoekers konden de taaiheid van beide soorten spicules kwantificeren.

De experimenten toonden zeer weinig verschil in taaiheid tussen de twee spicules, wat suggereert dat de gelaagdheid van Euplectella niet veel van een versterking van de taaiheid biedt. Met behulp van computermodellering, de onderzoekers konden dieper onderzoeken waarom gelaagdheid de taaiheid in sommige materialen verbetert en niet in andere. De modellen toonden aan dat de kromming van de gelaagdheid in cilindrische spicules de taaiheidsverbetering van gelaagde structuren lijkt uit te schakelen. platte lagen, zoals die gevonden worden in parelmoer, lijken te voorkomen dat scheuren zich van de ene laag naar de volgende verspreiden, zeggen de onderzoekers. Maar in materialen met gebogen lagen zoals de Euplectella spicules, scheuren kunnen van laag naar laag springen in plaats van tussen de lagen te worden gestopt.

De bevindingen onthullen een voorheen onbekende relatie tussen kromming en taaiheid in gelaagde materialen en hebben implicaties voor het ontwerp van bio-geïnspireerde composietmaterialen, zegt Haneesh Kesari, een assistent-professor in Brown's School of Engineering en senior auteur van het papier.

"Specifiek, het laat zien dat als je een gelaagde architectuur toepast om de taaiheid van een materiaal te verbeteren, je moet voorzichtig zijn met gebieden waar de lagen moeten worden gebogen, "Zei Kesari. "Onze metingen van de spicules en resultaten van ons computermodel laten zien dat gebogen lagen niet dezelfde sterkteverbeteringen bieden als wanneer lagen plat zijn."

De bevindingen betekenen niet dat de gelaagde structuur van Euplectella spicules niet interessant is. Eerder werk van Kesari's laboratorium heeft aangetoond dat de gelaagde structuur de buigsterkte van de spicules enorm lijkt te vergroten - om grote buigkrommingen te weerstaan ​​​​voordat ze bezwijken. Maar buigsterkte en taaiheid zijn heel verschillende mechanische eigenschappen, en het helpen verdrijven van het idee dat gelaagdheid altijd de stevigheid verbetert, is een nuttig inzicht voor bio-geïnspireerd ontwerp in het algemeen, zeggen de onderzoekers.

"Onze studie geeft aan dat niet alle gelaagde architecturen een significante verbetering van de taaiheid bieden, " zei Sayaka Kochiyama, een Brown afgestudeerde student en studie co-auteur. "Dat een beter begrip van de relatie tussen structuur en eigendom is nodig om naïeve biomimicry te voorkomen."