(PhysOrg.com) -- In de natuur, de kracht van parelmoer is een sleutel tot overleving voor sommige schelpdieren. Nu een team onder leiding van Xiaodong Li, een technische professor aan de Universiteit van South Carolina, heeft een verklaring geponeerd voor de ongebruikelijke veerkracht die dit belangrijke verdedigingsschild laat zien in het licht van roofzuchtige aanvallen. Gezien de uitgebreide structuren op nanoschaal die de biologie van nature in parelmoer verwerkt, het onderzoeksteam is van mening dat de bevindingen kunnen dienen als een blauwdruk voor de engineering van nieuwe, robuuste materialen in het laboratorium.

“Al heel lang we dachten dat we begrepen hoe deze biomaterialen op nanoschaal werken, maar het blijkt dat we maar een klein beetje weten, ' zei Li, wiens team hun resultaten publiceerde in een zojuist verschenen artikel in het nieuwe tijdschrift van Nature Publishing, Wetenschappelijke rapporten .

Parelmoer, ook wel parelmoer genoemd, vormt de binnenschaal van parelmosselen en sommige andere weekdieren. Parels zelf zijn gemaakt van parelmoer, dat is een composiet nanomateriaal dat is geconstrueerd door de biomachinerie van de schelpdieren. Kleine kristalkorrels van calciumcarbonaat zijn gerangschikt in een regelmatige, ingewikkeld patroon en samengebonden door biopolymeren in de structuur van parelmoer, wat een enorme hoeveelheid stabiliteit aan het materiaal toevoegt:het is zo'n 1000 keer beter bestand tegen barsten door schokken dan de kristallijne vorm van calciumcarbonaat (het mineraal aragoniet) dat het grootste deel van parelmoer vormt.

Inderdaad, calciumcarbonaat op zichzelf is misschien het best bekend als schoolbordkrijt; zijn neiging om af te brokkelen ondermijnt elk idee dat het zou dienen als een effectief middel om een ​​kogel te stoppen. En toch organiseert de natuur een complexe baksteen-en-mortel-achtige structuur - met de stenen van calciumcarbonaat die in het bereik van nanometers meten - om een ​​ongelooflijk taai materiaal te creëren, veel sterker dan de som van de delen. De glinsterende kwaliteit van parelmoer is een bijproduct van deze structuur, omdat het zichtbare licht dat het weerkaatst golflengten heeft die qua grootte vergelijkbaar zijn met de stenen op nanoschaal.

Nacre's kracht onder druk, Li legde uit, is ongebruikelijk en enigszins tegen de intuïtie in. Bij snel knijpen (dynamisch laden), het is bestand tegen veel meer druk dan wanneer het langzaam wordt samengeknepen (statische belasting). "Dit is een kenmerk van natuurlijke materialen met nanodeeltjesarchitecturen, ' zei Li, “Bijna geen enkel door de mens gemaakt keramiek heeft deze eigenschap, die van onschatbare waarde zou zijn in toepassingen zoals kogelvrije vesten, dus begrijpen hoe het werkt is erg belangrijk.”

De toegenomen sterkte van parelmoer bij snelle druk is al 10 jaar bekend, maar de redenen die eraan ten grondslag liggen, zijn onduidelijk gebleven. Dus het team van Li ging op zoek naar het mechanisme door zich te concentreren op de structuur van parelmoer op nanoschaal. Ze sneden nauwkeurig parelmoerstalen uit de Californische rode abalone en onderwierpen die aan zowel dynamische als statische belasting. Het parelmoer dat snel werd uitgeknepen - de ballistische test, in zekere zin - bood meer dan twee keer zoveel weerstand voordat hij brak dan die langzaam samenknijpte. Dan Li en collega's, waaronder USC-onderzoekers en medewerkers van de Universiteit van North Carolina in Charlotte, gebruikte transmissie-elektronenmicroscopie om de details van de breuk op nanoschaalniveau aan te pakken.

Hun resultaten waren volkomen onverwacht. Onder snelle compressie ballistische omstandigheden, de deeltjes op nanoschaal werken samen om het knikken van het materiaal te beperken. De onderzoekers concludeerden dat deformatieverbroedering, een proces dat wordt gezien in sommige metalen en een bepaalde indicator van sterkte in het licht van stress, komt in het spel met de nanodeeltjes van calciumcarbonaat. Maar dit mechanisme was alleen duidelijk bij ballistische omstandigheden, niet onder de langzamere toepassing van druk. Li's team concludeerde ook dat gedeeltelijke dislocaties in de nanostructuur het materiaal nog sterker maken, maar nogmaals, het gebeurde alleen onder de ballistische omstandigheden.

Wanneer geconfronteerd met een korte, krachtige stuwkracht van een roofdier - een activiteit waar schelpdieren vele miljoenen jaren aan hebben besteed om hun verdediging tegen te werken - de nanostructurele stenen in de algehele parelmoerstructuur werken samen om de impact te absorberen en de weerstand te maximaliseren. Stress wordt eerst geabsorbeerd en afgevoerd in de nanostructuur zelf voordat het materiaal zelf wordt overmeesterd en breekt.

Nu Li's team de middelen van de verhoogde verdediging van parelmoer heeft opgehelderd, ingenieurs kunnen proberen de lessen toe te passen op synthetische materialen. “Het echte doel is om deze materialen te kunnen ontwerpen, ’ zei Li. “Het mechanisme begrijpen is de eerste stap naar het maken, als slechts één voorbeeld, betere kogelwerende materialen.”