Wetenschap
Afgestudeerde student Zhifei Deng voert nanomechanische testen uit op een nano-indenter. Krediet:Virginia Tech
Lin Li, een assistent-professor in werktuigbouwkunde aan Virginia Tech, heeft inzichten gevonden in het bouwen van sterker en taaier keramiek door de schelpen van tweekleppige weekdieren te bestuderen.
Dit perspectief wordt gevormd door te kijken naar het vermogen van de minerale basisbouwstenen in de schil om breuken te anticiperen, in plaats van alleen te focussen op de vorm en chemie van de structuur. De resultaten van de bevindingen van zijn groep werden gepubliceerd in de 10 november, 2020, probleem van Natuurcommunicatie .
Li's team voerde een diepgaande analyse uit van de microscopische structuren van de schelpen van weekdieren, tweekleppigen afkomstig uit het Caribisch gebied. De schelpen van deze dieren bestaan uit twee lagen, een binnenste parelmoerlaag en een bruinkleurige buitenlaag. De binnenste parelmoer laag, ook wel parelmoer genoemd, is vaak iriserend vanwege de regelmatige nanoscopische gelaagdheid, vergelijkbaar met het kleurmechanisme voor veel bottlefly-vleugels.
Li's team richtte hun aandacht op de buitenste laag, die is samengesteld uit prismavormige calcietkristallen die in een mozaïekpatroon zijn gerangschikt. Tussen aangrenzende mineraalkristallen, zeer dun (ongeveer 0,5 micrometer, minder dan een honderdste van de grootte van een mensenhaar) zijn organische grensvlakken aanwezig die de kristallen aan elkaar lijmen. De calcietkristallen zijn ongeveer een halve millimeter lang en 50 micrometer in diameter, lijken op langwerpige prisma's.
In tegenstelling tot veel geologische of synthetische kristallen, waar de atomen in hun kristallijne korrels op een periodieke manier perfect zijn gerangschikt, de calcietkristallen in de penhulzen bevatten veel nanoscopische defecten, voornamelijk samengesteld uit organische stoffen.
Scanning-elektronenmicrofoto's van de biologische (links) en geologische (rechts) calcietkristallen nadat ze waren ingesprongen met een scherpe diamantpunt onder dezelfde hoeveelheid kracht (0,5 N). Merk op dat het schadepatroon in de biologische calcietkristallen in de penschelpen zeer gelokaliseerd is en veel kleiner dan dat in geologisch calciet (ongeveer 40 m vs. 100 μm). Krediet:Virginia Tech
"Je kunt denken aan biologisch keramiek, in dit geval de calcietkristallen van de penschelpen, als een samengestelde structuur, waar veel insluitsels van nanogrootte zijn verdeeld binnen de kristallijne structuur, "zei Li. "Dit is vooral opmerkelijk omdat het calcietkristal zelf nog steeds een enkel kristal is."
Normaal gesproken, de aanwezigheid van structurele defecten betekent een plaats van potentieel falen. Dit is de reden waarom de normale aanpak is om de structurele discontinuïteiten of spanningsconcentraties in kunstwerken te minimaliseren. Echter, Li's team laat zien dat de grootte, spatiëring, geometrie, oriëntatie, en de distributie van deze defecten op nanoschaal binnen het biomineraal wordt sterk gecontroleerd, niet alleen de structurele sterkte verbeteren, maar ook de schadetolerantie door gecontroleerde scheurvorming en breuk.
Wanneer deze granaten worden blootgesteld aan een kracht van buitenaf, het kristal minimaliseert plastic meegeven door de dislocatiebeweging te belemmeren, een veelgebruikte modus voor plastische vervorming in puur calciet, geholpen door die interne nanoscopische defecten. Dit versterkingsmechanisme is toegepast in veel structurele metaallegeringen, zoals aluminiumlegering.
Naast het toevoegen van kracht, door dit ontwerp kan de structuur zijn scheurpatronen gebruiken om schade aan de binnenschaal te minimaliseren. Het mozaïekachtige in elkaar grijpende patroon van de calcietkristallen in de prismalaag bevat verder grootschalige schade wanneer de externe kracht over de afzonderlijke kristallen wordt verspreid. De structuur kan barsten om de externe belastingsenergie af te voeren zonder te falen.
"Het is duidelijk dat deze nanoscopische defecten geen willekeurige structuur zijn, maar in plaats daarvan, een belangrijke rol spelen bij het beheersen van de mechanische eigenschappen van deze natuurlijke keramiek, " zei Li. "Door de mechanismen die in deze studie zijn ontdekt, het organisme verandert het van oorsprong zwakke en broze calciet werkelijk in een sterk en duurzaam biologisch pantser. We experimenteren nu met mogelijke fabricageverwerking, zoals 3D-printen, om deze strategieën te implementeren om keramische composieten te ontwikkelen met verbeterde mechanische eigenschappen voor structurele toepassingen."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com