MIT-onderzoekers onthullen de geheimen achter het defensieve pantser van een zeedier - een die uitzonderlijk sterk is, maar optisch helder.

De schelpen van een zeedier, het weekdier placenta placenta , zijn niet alleen buitengewoon taai, maar ook duidelijk genoeg om door te lezen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben deze granaten geanalyseerd om precies te bepalen waarom ze zo resistent zijn tegen penetratie en beschadiging - ook al zijn ze voor 99 procent uit calciet, een zwakke, broos mineraal.

De unieke eigenschappen van de schelpen komen voort uit een gespecialiseerde nanostructuur die optische helderheid mogelijk maakt, evenals efficiënte energiedissipatie en het vermogen om vervorming te lokaliseren, vonden de onderzoekers. De resultaten worden deze week gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , in een paper geschreven door MIT-afgestudeerde student Ling Li en professor Christine Ortiz.

Ortiz, de Morris Cohen Professor of Materials Science and Engineering (en MIT's decaan voor graduate onderwijs), heeft lange tijd de complexe structuren en eigenschappen van biologische materialen geanalyseerd als mogelijke modellen voor nieuwe, nog betere synthetische analogen.

Engineered op keramiek gebaseerd pantser, terwijl ontworpen om penetratie te weerstaan, mist vaak het vermogen om meerdere slagen te weerstaan, vanwege grootschalige vervorming en breuk die de structurele integriteit in gevaar kunnen brengen, zegt Ortiz. In transparante pantsersystemen, dergelijke vervorming kan ook het zicht belemmeren.

Wezens die natuurlijke exoskeletten hebben ontwikkeld - waarvan vele op keramiek gebaseerd - hebben ingenieuze ontwerpen ontwikkeld die meerdere doordringende aanvallen van roofdieren kunnen weerstaan. De schelpen van een paar soorten, zoals placenta placenta , zijn ook optisch helder.

Om precies te testen hoe de schelpen - die calciet combineren met ongeveer 1 procent organisch materiaal - reageren op penetratie, de onderzoekers onderwierpen monsters aan inkepingstests, met behulp van een scherpe diamanten punt in een experimentele opstelling die belastingen nauwkeurig kon meten. Vervolgens gebruikten ze analysemethoden met hoge resolutie, zoals elektronenmicroscopie en diffractie, om de daaruit voortvloeiende schade te onderzoeken.

Het materiaal isoleert in eerste instantie schade via een proces op atomair niveau dat "twinning" wordt genoemd binnen de afzonderlijke keramische bouwstenen:een deel van het kristal verschuift zijn positie op een voorspelbare manier, twee regio's achterlatend met dezelfde oriëntatie als voorheen, maar met het ene deel verschoven ten opzichte van het andere. Dit twinningproces vindt overal in de gestreste regio plaats, helpen om een ​​soort grens te vormen die voorkomt dat de schade zich naar buiten verspreidt.

De MIT-onderzoekers ontdekten dat twinning vervolgens "een reeks aanvullende energiedissipatiemechanismen activeert ... die de mechanische en optische integriteit van het omringende materiaal behouden, " zegt Li. Dit produceert een materiaal dat 10 keer efficiënter is in het afvoeren van energie dan het pure mineraal, voegt Li toe.

De eigenschappen van dit natuurlijke pantser maken het een veelbelovende sjabloon voor de ontwikkeling van bio-geïnspireerde synthetische materialen voor zowel commerciële als militaire toepassingen, zoals oog- en gezichtsbescherming voor soldaten, ramen en windschermen, en explosieschilden, zegt Ortiz.