Universiteit van Californië, Irvine materiaalwetenschappers leren over veerkracht van de bidsprinkhaangarnaal. De oude schaaldieren zijn bewapend met twee hamerachtige roofvogelaanhangsels, dactyl-clubs genaamd, die ze gebruiken om hun prooi te knuppelen en te verpletteren. Deze vuisten, in staat om van het lichaam te versnellen met meer dan 50 mph, leveren krachtige slagen maar lijken daarna onbeschadigd.

De UCI-onderzoekers ontdekten dat de clubs een uniek ontworpen nanodeeltjescoating hebben die energie absorbeert en dissipeert. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Natuurmaterialen , belangrijke gevolgen hebben voor technische materialen in de automobielindustrie, ruimtevaart- en sportindustrie.

"Denk eraan om een ​​paar duizend keer tegen een muur te slaan met die snelheden en niet je vuist te breken, " zei David Kisailus, UCI-hoogleraar materiaalkunde &techniek, die al meer dan een decennium de bidsprinkhaangarnaal bestudeert. "Dat is best indrukwekkend, en het zette ons aan het denken over hoe dit zou kunnen zijn."

Hij en postdoctoraal geleerde Wei Huang gebruikten transmissie-elektronen- en atoomkrachtmicroscopie om de nanoschaalarchitectuur en materiële componenten van de oppervlaktelaag van de clubs te onderzoeken. Ze stelden vast dat de nanodeeltjes bicontinue bollen zijn, gemaakt van met elkaar verweven organische (eiwit en polysacharide) en anorganische (calciumfosfaat) nanokristallen.

De 3D anorganische nanokristallen zijn mesokristallijn, in wezen op elkaar gestapeld als Lego-stukken, met kleine oriënteringsverschillen waar ze samenkomen. De kristallijne grensvlakken zijn cruciaal voor de veerkracht van de oppervlaktelaag, omdat ze breken en breken tijdens een botsing met hoge snelheid, door de penetratiediepte te halveren.

"De TEM met hoge resolutie heeft ons echt geholpen deze deeltjes te begrijpen, hoe ze zijn ontworpen en hoe ze reageren onder verschillende soorten stress, " zei Kisailus. "Bij relatief lage reksnelheden, de deeltjes vervormen bijna als een marshmallow en herstellen wanneer de stress wordt verlicht."

Hij merkte op dat het gedrag van de structuren onder hoge-spanningsimpact heel anders is. "De deeltjes verstijven en breken op de nanokristallijne interfaces, ' zei Kisailus. 'Als je iets breekt, je opent nieuwe oppervlakken die aanzienlijke hoeveelheden energie afvoeren."

Het team, waaronder onderzoekers van de Purdue University, Oxford Instruments en Bruker Corp., was ook in staat om de indrukwekkende dempende eigenschappen van de coating te meten en te karakteriseren.

"De stijve anorganische en zachte organische materialen in een interpenetrerend netwerk verlenen indrukwekkende dempende eigenschappen aan de coating zonder afbreuk te doen aan de stijfheid. Het is een zeldzame combinatie die beter presteert dan de meeste metalen en technische keramiek, ' zei Kisailus.

Hij voegde eraan toe dat hij zich nu concentreert op het vertalen van deze bevindingen naar nieuwe toepassingen op verschillende gebieden:"We kunnen ons manieren voorstellen om vergelijkbare deeltjes te engineeren om verbeterde beschermende oppervlakken toe te voegen voor gebruik in auto's, vliegtuigen, voetbalhelmen en kogelvrije vesten."