Wetenschap
Onderzoekers ontwikkelen bio-geïnspireerde Bouligand-structuur voor verbeterde mechanische eigenschappen
Bouligand-structuren, gevonden in natuurlijke materialen zoals vissenschubben, buikvlies en botten van kreeft, staan erom bekend dat ze uitzonderlijke mechanische eigenschappen aan biomaterialen bieden. Hoewel er vooruitgang is geboekt bij het creëren van bio-geïnspireerde materialen, heeft het meeste onderzoek zich geconcentreerd op het samenbrengen van de vezels. Er is nu een dieper inzicht nodig in de manier waarop de vezels samenwerken om de mechanische functies te verbeteren.
Een onderzoeksteam onder leiding van academicus Yu Shuhong van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) heeft een bio-geïnspireerde Bouligand-structuur geïntroduceerd met een hiërarchische en herconfigureerbare intervezelinterface die de mechanische sterkte en taaiheid aanzienlijk verhoogt door middel van dynamische belastingoverdracht en energiedissipatie, wat een nieuwe strategie biedt voor het creëren van geavanceerde structurele materialen.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .
Het team had aanvankelijk bacteriële cellulose-nanovezels als modelmatrix gebruikt, maar had moeite om te begrijpen hoe de oriëntatie van nanovezels het micromechanische gedrag beïnvloedde. Om dit probleem aan te pakken, voerden ze grootschalige moleculaire dynamica-simulaties uit met verschillende oriëntatiehoeken.
Uit de resultaten bleek dat het optimaliseren van de dimensie van het waterstofbruggennetwerk door middel van verknopingsstructuren de capaciteit voor belastingoverdracht en de weerstand tegen schade verbeterde.
Bovendien merkte het team op dat excessieve oriëntatiehoeken de efficiëntie van de belastingoverdracht en de waterstofbindingsdichtheid tussen de ketens verzwakten, wat resulteerde in verminderde mechanische eigenschappen. Dit benadrukte het belang van gematigde ordelijkheid voor optimale interactie op het grensvlak.
Gematigde ordelijkheid geïntegreerde microstructuur en waterstofbruggen, presteert beter dan hoge structurele ordelijkheid vanwege compromissen tussen structurele oriëntatie, vezelinterlocking en waterstofbrugnetwerkdimensies.
Bovendien identificeerde het team een grote schaduwzone rond scheuren en onthulde microbewegingen van nanovezelprimitieven. Er werd kruispolariserend licht gebruikt om deze microbeweging binnen de membraanlaag te monitoren, waardoor de bereiding van bio-geïnspireerde Bouligand-structuurmaterialen met meerschalige koppeling mogelijk werd gemaakt door middel van spiraalvormige stapeling en verdichting door middel van hete persen.
De bio-geïnspireerde Bouligand-structuur van USTC, mogelijk gemaakt door een gematigde ordelijkheid, vertoont uitstekende mechanische eigenschappen en dimensionale stabiliteit, en kan toepassingen hebben op biomedische gebieden zoals herstel en vervanging van vezelkraakbeenweefsel.