Ling Li heeft een les in een van zijn werktuigbouwkundige cursussen over hoe brosse materialen zoals calciumcarbonaat zich gedragen onder stress. In het, hij neemt een stuk krijt dat is samengesteld uit de samenstelling en knipt het doormidden om zijn studenten de rand van een van de gebroken stukken te laten zien. De breuk is bot en recht.

Vervolgens, hij draait een tweede stuk, wat resulteert in scherpere scherven die in een hoek van 45 graden worden gebroken, geeft de meer gevaarlijke richting van trekspanning op het krijt aan. Het gebroken krijt helpt Li aan te tonen wat broos calciumcarbonaat onder normale krachten zal doen:het heeft de neiging te breken.

"Als je het buigt, het zal breken, ' zei Li.

In Li's laboratorium voor biologische en bio-geïnspireerde materialen, veel van de oceaandieren die hij bestudeert voor hun biologische structurele materialen hebben onderdelen gemaakt van calciumcarbonaat. Sommige weekdieren gebruiken het in fotonische kristallen die een levendig kleurenscherm creëren, "als de vleugels van een vlinder, " zei Li. Anderen hebben er minerale ogen mee gebouwd, in hun schelpen. Hoe meer Li deze dieren bestudeert, hoe meer hij verbaasd is over de toepassingen die hun lichamen vinden voor intrinsiek broos en breekbaar materiaal. Vooral wanneer het gebruik die kwetsbaarheid tart.

In een studie gepubliceerd door Proceedings van de National Academy of Sciences , Li's onderzoeksteam richtte zich op de inktvis, nog een van die inventieve, krijt gebouwde dieren en een reiziger van de diepten van de oceaan. De onderzoekers onderzochten de interne microstructuur van cuttlebone, de zeer poreuze binnenschaal van het weekdier, en ontdekte dat de unieke, Chambered "wall-septa" ontwerp optimaliseert cuttlebone om extreem lichtgewicht te zijn, stijf, en schadebestendig. Hun onderzoek gaat in op de onderliggende materiaalontwerpstrategieën die cuttlebone deze hoogwaardige mechanische eigenschappen geven, ondanks de samenstelling van de schelp voornamelijk uit bros aragoniet, een kristalvorm van calciumcarbonaat.

In de oceaan, de inktvis gebruikt inktvis als een hard drijftank om zijn beweging op en neer door de waterkolom te regelen, tot een diepte van 600 meter. Het dier past de verhouding van gas tot water in die tank aan om omhoog of omlaag te drijven. Om dit doel te dienen, de schaal moet lichtgewicht en poreus zijn voor actieve vloeistofuitwisseling, maar toch stijf genoeg om het lichaam van de inktvis te beschermen tegen sterke waterdruk als het dieper duikt. Wanneer cuttlebone wordt verpletterd door druk of door de beet van een roofdier, het moet veel energie kunnen opnemen. Op die manier, de schade blijft in een gelokaliseerd gebied van de schaal, in plaats van de hele cuttlebone te verbrijzelen.

De noodzaak om al deze functies in evenwicht te brengen, is wat cuttlebone zo uniek maakt, Li's team ontdekte, terwijl ze de interne microstructuur van de schaal onderzochten.

doctoraat student en studie co-auteur Ting Yang gebruikte op synchrotron gebaseerde microcomputertomografie om de microstructuur van cuttlebone in 3D te karakteriseren, penetreren de schaal met een krachtige röntgenstraal van het Argonne National Laboratory om beelden met een hoge resolutie te produceren. Zij en het team observeerden wat er gebeurde met de microstructuur van de schaal toen deze werd gecomprimeerd door de in-situ tomografiemethode toe te passen tijdens mechanische tests. Door deze stappen te combineren met digitale beeldcorrelatie, waarmee beeld-voor-beeld vergelijking kan worden gemaakt, ze bestudeerden de volledige vervormings- en breukprocessen van cuttlebone onder belasting.

Hun experimenten onthulden meer over de 'wall-septa' microstructuur van cuttlebone en het ontwerp voor geoptimaliseerd gewicht, stijfheid, en schadetolerantie.

Het ontwerp scheidt cuttlebone in afzonderlijke kamers met vloeren en plafonds, of "september, " ondersteund door verticale "muren." Andere dieren, zoals vogels, een vergelijkbare structuur hebben, bekend als een sandwichstructuur. Met een laag dicht bot bovenop een andere en verticale steunen ertussen voor ondersteuning, de structuur is lichtgewicht en stijf gemaakt. In tegenstelling tot de sandwichstructuur, echter, De microstructuur van cuttlebone heeft meerdere lagen - die kamers - en ze worden ondersteund door golvende wanden in plaats van rechte stutten. De golving neemt langs elke muur van vloer tot plafond toe in een 'golvingsverloop'.

"De exacte morfologie die we niet hebben gezien, tenminste in andere modellen, " zei Li over het ontwerp. Dit wand-septa-ontwerp geeft cuttlebone-controle over waar en hoe schade optreedt in de schaal. Het zorgt voor sierlijke, in plaats van catastrofaal, falen:wanneer gecomprimeerd, kamers falen één voor één, geleidelijk in plaats van onmiddellijk.

De onderzoekers ontdekten dat de golvende wanden van cuttlebone breuken veroorzaken of beheersen die zich in het midden van muren vormen, in plaats van op vloeren of plafonds, waardoor de hele constructie zou instorten. Terwijl één kamer wandbreuk ondergaat en daaropvolgende verdichting - waarbij de gebroken wanden zich geleidelijk in de beschadigde kamer verdichten - blijft de aangrenzende kamer intact totdat gebroken stukken de vloeren en plafonds binnendringen. Tijdens dit proces, een aanzienlijke hoeveelheid mechanische energie kan worden geabsorbeerd, Li legde uit, externe impact beperken.

Li's team heeft het krachtige potentieel van de microstructuur van cuttlebone verder onderzocht met computationele modellering. Met behulp van metingen van de microstructuur gemaakt met de eerdere 3D-tomografie, postdoctoraal onderzoeker Zian Jia bouwde een parametrisch model, virtuele tests uitgevoerd die de golven van de muren van de constructie veranderden, en observeerde hoe de schaal als resultaat presteerde.

"We weten dat cuttlebone deze golvende muren met een helling heeft, " zei Li. "Zian veranderde de gradiënt zodat we konden leren hoe cuttlebone zich gedroeg als we verder gingen dan deze morfologie. Is het beter, of niet? We laten zien dat cuttlebone op een optimale plek zit. Als de golving te groot wordt, de structuur is minder stijf. Als de golven kleiner worden, de structuur wordt brozer. Cuttlebone lijkt een goede plek te hebben gevonden, om de stijfheid en energieabsorptie in evenwicht te brengen."

Li ziet toepassingen voor het microstructurele ontwerp van cuttlebone in keramische schuimen. Onder schuimen die worden gebruikt voor weerstand tegen verbrijzeling of energieabsorptie in verpakkingen, vervoer, en infrastructuur, polymeer en metalen materialen zijn de meer populaire keuzes. Keramische schuimen worden zelden gebruikt omdat ze bros zijn, zei Li. Maar keramiek heeft zijn eigen unieke voordelen:ze zijn chemisch stabieler en hebben een hoge smelttemperatuur.

Als de eigenschappen van cuttlebone kunnen worden toegepast op keramische schuimen, hun vermogen om hoge hitte te weerstaan ​​in combinatie met hernieuwde schadetolerantie zou keramisch schuim ideaal kunnen maken voor gebruik als thermische beschermingseenheden in spaceshuttles of als algemene thermische bescherming, Li gelooft. Zijn team heeft die toepassing in een aparte studie geëvalueerd.

Hoewel het team al begonnen is om van de zee naar de lucht te kijken naar de mogelijkheden die cuttlebone inspireert, hun studie van de fundamentele ontwerpstrategieën van de schaal is net zo belangrijk voor Li.

"De natuur maakt veel constructiematerialen, " zei Li. "Deze materialen worden gemaakt bij kamertemperatuur en normale atmosferische druk, in tegenstelling tot metalen, wat schadelijk kan zijn voor het milieu om te produceren - u moet hoge temperaturen en brekingsprocessen voor metalen gebruiken.

"We zijn geïntrigeerd door dergelijke verschillen tussen biologische structurele materialen en geconstrueerde structurele materialen. Kunnen we deze twee overbruggen en inzicht verschaffen in het maken van nieuwe structurele materialen?"