Parelmoer, de iriserende laag in de schelpen van sommige weekdieren, inspireerde een Rice University-studie die wetenschappers en ingenieurs zal helpen de ultieme kracht te beoordelen, stijfheid en taaiheid van composietmaterialen voor alles van elektronica op nanoschaal tot gebouwen.

Rijstonderzoekers Rouzbeh Shahsavari en Navid Sakhavand hebben universele kaarten gemaakt die de eigenschappen van natuurlijke en biomimetische plaatjes-matrixcomposieten (zoals parelmoer, oftewel parelmoer) en synthetische stapels (of heterostructuren) van materialen zoals grafeen en boornitride.

Ze zeiden dat hun computergetekende kaarten "dimensieloos" zijn en dat hun bevindingen net zo goed zullen werken voor materialen die zijn gebouwd met blokken op nanoschaal als voor een bakstenen muur. of groter.

"Dat is het mooie van deze aanpak:het kan worden opgeschaald naar iets heel groots of heel kleins, " zei Shahsavari, een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalkunde en techniek.

Het onderzoek verscheen deze week in Natuurcommunicatie .

De formule is gebaseerd op vier kenmerken van de afzonderlijke materialen die worden overwogen voor een composiet:hun lengte, een verhouding gebaseerd op hun respectieve stijfheid, hun plasticiteit en hoe ze elkaar overlappen.

Dat zijn de ingangen, zei Sakhavand, een afgestudeerde student in het laboratorium van Shahsavari. "Als je ze kent, je kunt de stijfheid voorspellen, sterkte en taaiheid van de uiteindelijke composiet. We noemen dit een universele kaart omdat al die invoerparameters relevant zijn voor alle composieten en hun structurele eigenschappen."

Aan materiaalwetenschappers en ingenieurs, stijfheid, taaiheid en sterkte zijn verschillend, belangrijke mechanische eigenschappen. Kracht is het vermogen van een materiaal om bij elkaar te blijven wanneer het wordt uitgerekt of samengedrukt. Stijfheid is hoe goed een materiaal bestand is tegen vervorming. Taaiheid is het vermogen van een materiaal om energie te absorberen voordat het faalt.

De ontwerpkaarten van de onderzoekers laten zien hoe materialen scoren in alle drie de categorieën en waar ze elkaar overlappen. Hun doel is om ingenieurs te helpen de ultieme eigenschappen van een materiaal te berekenen en te bezuinigen op vallen en opstaan.

De studie begon toen Shahsavari de architectuur van parelmoer onder de loep nam, die zowel sterkte als taaiheid maximaliseert, die als typisch wederzijds uitsluitende eigenschappen in geconstrueerde materialen. Onder een microscoop, parelmoer ziet eruit als een goed gebouwde bakstenen muur met overlappende bloedplaatjes van verschillende lengtes die bij elkaar worden gehouden door dunne lagen van een elastisch biopolymeer.

"Het heeft een heel bijzondere structuur en eigenschap:het optimaliseert tegelijkertijd verschillende mechanische eigenschappen." zei Sachavan.

Echter, het maken van parelmoerachtige composieten was tot nu toe moeilijk, "voornamelijk vanwege het ontbreken van een ontwerpkaart die de verschillende verbanden tussen de structuur kan onthullen, materialen en eigenschappen van parelmoerachtige materialen, ' zei Shahsavari.

Hij zei dat het werk een belangrijke mijlpaal is in de richting van een beter vermogen om de architectuur van parelmoer te decoderen en te repliceren voor lichtgewicht, hoogwaardige composieten. Deze kunnen de lucht- en ruimtevaart ten goede komen, auto- en bouwsector, hij zei.

Het werk van de Rice-onderzoekers omvatte drie jaar berekeningen en experimenten waarbij de eigenschappen van natuurlijke composieten zoals collageen en spinnenzijde in kaart werden gebracht, evenals synthetische stapels zoals hexagonaal boornitride/grafeen en silumin/alumina. Ze testten hun theorie ook op macroschaal, 3D-geprinte composieten van hard plastic en zacht rubber die de eigenschappen nabootsten die ze in parelmoer zagen.

Een kaart van 15 van de materialen die ze hebben getest, laat zien dat natuurlijke materialen zoals parelmoer vaak sterk en taai zijn, terwijl synthetische stoffen neigen naar sterk en stijf. Shahsavari zei dat hij hoopt dat materiaalwetenschappers de ontwerpkaarten zullen gebruiken om hun composieten de best mogelijke combinatie van alle drie de eigenschappen te geven.