Onderzoekers van de Monash University hebben een nieuw ontwerpmotief ontdekt dat is afgeleid van de stijve externe bedekking van ongewervelde dieren en dat kan helpen bij het creëren van meer schadebestendige materialen voor toekomstige bouw en constructie.

In een paper gepubliceerd in Nature Communications , zegt professor Wenhui Duan van de afdeling Civiele Techniek aan de Monash University dat het nieuwe patroon, dat bijdraagt ​​aan de acht bekende en veelvoorkomende biologische structurele ontwerppatronen, een sterk motief kan toevoegen aan veelgebruikte bouwmaterialen zoals composieten en cement, en kan helpen CO2-uitstoot verminderen.

De cementindustrie is een van de grootste producenten van kooldioxide en veroorzaakt tot 8% van de wereldwijde door de mens veroorzaakte uitstoot van dit gas; deze ontdekking zal helpen bij het verminderen van het gebruik van cement door de schadetolerantie van het materiaal te verbeteren.

Het onderzoeksteam repliceerde het ontwerpmotief in cementmateriaal, een van de meest gebruikte bouwmaterialen ter wereld. Ze gebruikten een 3D-printtechniek in combinatie met nanotechnologie en kunstmatige intelligentie om een ​​lichtgewicht cementcomposiet te fabriceren dat dit segmentale ontwerpmotief overnam, wat een superieur draagvermogen en een uniek progressief faalpatroon aantoont.

"We hebben de toepassing van dit ontwerpmotief gedemonstreerd bij het produceren van een zeer sterk, schadebestendig lichtgewicht cementmateriaal. Bovendien kan dit ontwerpmotief ook worden toegepast op verschillende materialen zoals keramiek, glas, polymere en metalen materialen voor geavanceerd materiaalontwerp, energie opslag/conversie en architecturale structuren, in samenwerking met de teams van de Universiteit van Queensland en de Universiteit van Manchester", zegt professor Duan.

Sinds de ontdekking van de spiraalvormige structuur in 1972, een van de meest voorkomende structurele patronen in de biologie, is er een drive geweest om ontwerpmotieven te extraheren van meer dan 7 miljoen levende soorten in de wereld om de fabricage van gestructureerde/structurele materialen te vergemakkelijken.

Na bijna 50 jaar onderzoek zijn opmerkelijke herhalingen bevestigd in de meeste soorten soorten, maar tot nu toe zijn er slechts acht categorieën ontwerpmotieven geëxtraheerd en overgenomen in materiaalontwerp.

De nieuwe ontwerpstructuur is geïdentificeerd in verschillende soorten, zoals de exoskeletten van geleedpotigen, de poten van zoogdieren, amfibieën en reptielen. Deze ontwerpmotieven zijn waardevolle inspiratiebronnen voor modern materiaalontwerp en helpen bij de fabricage van constructiemateriaal.

"Vergeleken met het huidige ontwerpmotief, verdrijft ons segmentale ontwerpmotief de energie door segmentrotatie. Het mooie van ons ontdekte ontwerpmotief is dat het materiaal een uniek periodiek progressief faalgedrag kan vertonen. Het betekent dat we de schade binnen een bepaalde regio kunnen beperken van materiaal, terwijl de rest van de constructie nog steeds de integriteit en het meeste (ongeveer 80%) draagvermogen kan behouden." + Verder verkennen

De cruciale rol van functionele motieven - microstructurele eenheden die materiële functies bepalen - in materiaalonderzoek