Mensen hebben technologische inspiratie gehaald uit vissenschubben die teruggaan tot de oudheid:Romeinen, Egyptenaren, en andere beschavingen zouden hun krijgers in schaalpantser kleden, biedt zowel bescherming als mobiliteit. Nutsvoorzieningen, met behulp van geavanceerde röntgenbeeldvormingstechnieken, Wetenschappers van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben karperschubben gekarakteriseerd tot op nanoschaal, waardoor ze begrijpen hoe het materiaal bestand is tegen penetratie met behoud van flexibiliteit.

De onderzoekers gebruikten krachtige röntgenstralen bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) om te kijken hoe de vezels in karperschubben reageren als er spanning wordt uitgeoefend. Zoals ze in hun krant schreven, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Materie , wat ze vonden "kan wel eens verdere inspiratie bieden voor het ontwerp van geavanceerde synthetische structurele materialen met ongekende taaiheid en penetratieweerstand."

"De structuur van biologische materialen is absoluut fascinerend, " zei hoofdauteur Robert Ritchie, van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die samen met Marc Meyers dit werk leidde, een professor in nano-engineering en werktuigbouwkunde aan de UC San Diego. "We bootsen deze eigenschappen graag na in technische materialen, maar de eerste stap is om te zien hoe de natuur het doet."

Visschubben hebben een harde buitenschaal met een zachtere binnenlaag die taai en kneedbaar is. Wanneer zoiets als de tanden van een roofdier in de schubben proberen te zinken, de buitenste schil weerstaat de penetratie, maar de binnenste moet alle overtollige belasting absorberen om de schaal in één stuk te houden. Hoe doet het dit? Het blijkt dat de vezels in de schaal, die bestaat uit collageen plus mineralen, zijn in een verwrongen oriëntatie, een Bouligand-structuur genoemd. Wanneer er spanning op het materiaal wordt uitgeoefend, de vezels draaien in volgorde om de overtollige belasting op te vangen.

"Het wordt adaptieve heroriëntatie genoemd. Het is als een slim materiaal, " zei Ritchie, die ook hoogleraar materiaalkunde en techniek is aan UC Berkeley. "Met behulp van een techniek genaamd kleine hoek röntgenverstrooiing, we kunnen dat in realtime volgen met behulp van de synchrotron. We bestralen het met röntgenstralen, en we kunnen de vezels echt zien draaien en bewegen."

Het collageen waaruit de menselijke huid bestaat, anderzijds, is "helemaal in de war als een kom spaghetti, maar het kan ontrafelen en uitlijnen om energie te absorberen, waardoor de huid ongelooflijk goed bestand is tegen scheuren, "Zei Ritchie. De Bouligand-structuur in de karperschaal is veel meer georganiseerd, maar zorgt nog steeds voor een zeer effectief verhardingsmechanisme.

Het andere opvallende kenmerk van een karperschub is de gradiënt tussen de harde en zachte lagen. "Als we dat als wapenrusting zouden maken, we zouden een interface hebben tussen het harde en zachte materiaal. De interface is steevast een locatie waar scheuren en storingen beginnen, " zei Ritchie, een expert in hoe materialen falen. "De manier waarop de natuur het doet:in plaats van deze interfaces te hebben waar er discontinuïteit is tussen het ene materiaal en het andere, de natuur maakt een perfecte overgang van het harde naar het zachte (taaiere) materiaal."

In samenwerking met de onderzoekers van UC San Diego, het team heeft eerder de arapaima bestudeerd, een zoetwatervis uit de Amazone waarvan de schubben zo taai zijn dat ze ondoordringbaar zijn voor piranha's, evenals andere soorten. Voor deze studie kozen ze de karper, een moderne versie van de oude coelacanth-vis, ook bekend om het hebben van schalen die fungeren als harnas.

Nu de vervormings- en faalmechanismen van karperschubben zijn gekarakteriseerd, proberen om deze eigenschappen te reproduceren in een technisch materiaal is de volgende uitdaging. Ritchie merkte op dat vooruitgang in 3D-printen een manier zou kunnen zijn om gradiënten te produceren zoals de natuur doet, en maak zo een materiaal dat zowel hard als ductiel is.

"Zodra we een betere greep hebben op het manipuleren van 3D-printen, we kunnen meer materialen gaan maken naar het beeld van de natuur, " hij zei.