O vedetă în lumea ingineriei ceramice – ScienceDaily

Prima meta-analiză a tipului său de 236 de specii care trăiesc în Marea Mediterană - ScienceDaily

În comparație cu materialele pe bază de metal și polimeri, ceramica poate rezista mai bine la temperaturi ridicate și medii corozive, dar natura lor fragilă le face adesea susceptibile la rupere. Acest comportament poate cauza probleme inovatorilor care încearcă să creeze versiuni ușoare poroase ale acestor materiale, explicând de ce spumele ceramice nu sunt utilizate de obicei ca componente structurale.

Confruntându-se cu sarcina provocatoare de a dezvolta materiale ceramice ușoare și de înaltă rezistență, profesorul asistent de inginerie mecanică Ling Li a apelat la un colaborator neașteptat pentru inspirație pentru design: steaua de mare nodură din Indo-Pacificul tropical. Prin investigarea sistemului osos mineralizat complex și foarte ordonat al acestei specii marine neobișnuite, Li și echipa sa de cercetare au descoperit o combinație neașteptată de caracteristici care poate duce la dezvoltarea unei clase complet noi de compozite ceramice ușoare de înaltă performanță.

Devenind ușor devenind poros

Industrii precum cele din industria de automobile și industria aerospațială au un interes puternic în proiectarea materialelor rezistente și ușoare, combinând economia unei eficiențe mai bune a combustibilului cu rezistența. Industriile găsesc acest echilibru greu de realizat, deoarece materialele mai puternice au de obicei densități mari și, prin urmare, cântăresc mai mult.

Natura, prin milioane de ani de evoluție, a venit cu o modalitate ingenioasă de a rezolva această problemă: utilizarea materialelor poroase. Introducerea porozității interne poate crea atât materiale extrem de ușoare, cât și eficiente mecanic.

În natură există mai multe exemple de materiale poroase. Acestea includ sistemul osos uman, tulpinile plantelor și stupii albinelor. Dacă punem aceste materiale naturale sub microscop, atunci descoperim rapid că sunt umplute cu goluri sau camere minuscule. Creșterea naturală formează aceste construcții biologice poroase foarte eficient și acea formare are ca rezultat adesea geometrii interne neașteptat de complexe.

În Laboratorul de Materiale Biologice și Bio-Inspirate, Li și echipa sa investighează structuri ceramice ușoare naturale, cu scopul de a dezvolta noi principii de proiectare a materialelor pentru abordarea slăbiciunii mecanice a spumei ceramice și a materialelor arhitecturale.

„Scopul nostru general este să învățăm și să ne inspirăm din natură pentru a dezvolta noi materiale poroase”, a spus Li. „Natura oferă multe lecții bune despre materiale pentru proiectarea materialelor poroase care sunt atât puternice, cât și tolerante la deteriorare.”

Anterior, echipa a descoperit că structura bioceramică unică bazată pe cameră a osului de sepie (scheletul intern al sepiei) este în același timp puternică, rigidă și rezistentă la fracturi, permițând în același timp reglarea flotabilității. Acest proiect și altele asemenea au motivat echipa să investigheze aplicații suplimentare pentru modelele poroase ale naturii la microscală.

stea de mare schelete: o zăbrele ceramică arhitecturată naturală

În această lucrare, Li și echipa sa și-au îndreptat privirea către scheletul stelei marine. Distribuite pe scară largă în toată regiunea Indo-Pacific, scheletele uscate ale speciilor sunt adesea folosite pentru decorarea casei. Aceste stele de mare prezintă proiecții în formă de con care se ridică de pe suprafața lor dorsală și descurajează prădătorii.

În timp ce observau mostre din aceste schelete de stele de mare la Nanoscale Characterization and Fabrication Laboratory (NCFL), Li și Ph.D. studentul Ting Yang (co-primul autor al lucrării și acum un bursier post-doctorat la Institutul de Tehnologie din Massachusetts), a făcut o observație care le-a stârnit interesul: la microscale, scheletul stelei de mare a prezentat o arhitectură lattice cu aranjamente foarte regulate. de ramuri destul de diferite de structurile poroase ale spinilor de sepie și arici de mare studiate anterior. De fapt, organizarea scheletică unică a acestei stele marine prezintă cea mai mare regularitate structurală raportată vreodată de la acest grup de nevertebrate. Astfel de structuri obișnuite, asemănătoare zăbrelei, prezintă asemănări remarcabile cu structurile spațiale, utilizate în mod obișnuit în proiectele moderne de construcții umane.

Echipa s-a întrebat cum a obținut protecția mecanică acest material ceramic natural, deoarece scheletele stelelor de mare sunt făcute din calcit, o formă cristalină de carbonat de calciu (cretă). Orice copil familiarizat cu joaca afara stie ca creta de pe trotuar este foarte fragila si se sparge usor. Cu toate acestea, corpul stelei marine demonstrează rezistență și flexibilitate ridicate. Descoperirea principiilor de bază ale acestei structuri poate ajuta la rezolvarea provocărilor de a face ceramică poroasă mai puternică.

Ceea ce a găsit echipa a fost neașteptat. Ca și în cazul altor specii de stele de mare, scheletul stelei nodulare este format din multe elemente scheletice de dimensiuni milimetrice numite oscule. Aceste osule se conectează cu țesutul moale, permițând animalului să fie flexibil și să se miște. Li și echipa sa au descoperit că fiecare osicul este construit dintr-o structură de microrețea atât de uniformă încât poate fi descrisă matematic, compusă din ramuri conectate prin noduri în venă similară cu structura Turnului Eiffel. Și mai interesant, echipa a descoperit că structura uniformă a microrețelei, din cauza alinierii atomilor săi, este în esență o structură de un singur cristal la nivel atomic.

„Acest material unic este ca o rețea periodică sculptată dintr-o bucată de un singur cristal de calcit”, a spus Li. „Această microrețea aproape perfectă nu a fost raportată în natură sau fabricată sintetic înainte. Cele mai multe materiale obișnuite de rețea sunt realizate prin combinarea materialelor cu cristale mici pentru a crea compozite, dar acest lucru este nou. Este crescut ca o singură bucată.”

Această structură permite unei stele marine să-și consolideze scheletul strategic în anumite direcții, oferind o protecție sporită. În plus, se pare că animalul poate îngroșa ramurile de-a lungul direcțiilor selectate și în anumite regiuni, îmbunătățindu-și performanța mecanică într-un mod similar cu modul în care corpul uman are capacitatea de a modifica geometria locală a oaselor sale poroase pentru a se adapta la activitatea fizică. În stea de mare, cercetătorii au descoperit și regiuni în care structura părea să modifice modelul obișnuit al rețelei al designului său, o caracteristică care inhibă expansiunea fisurilor atunci când microlaticele se fracturează.

Patricia Dove, expert în biomineralizare, profesor distins universitar și profesor de știință CP Miles în Departamentul de Geoștiințe Virginia Tech, a spus că această descoperire biologică ar putea avea un impact major asupra domeniului inovației bio-inspirate.

„Stelele marine și alte echinoderme care trăiesc în medii extrem de prădătoare ale fundului mării dezvăluie o lume de inovații în materie de materiale care sunt esențiale pentru supraviețuire”, a spus Dove. „Folosind puțin mai mult decât apa de mare și unele componente organice, biologia conduce formarea de schelete remarcabile, cum ar fi cele din stelele de mare. Acest nou studiu al proprietăților de inginerie mecanică care stau la baza are un potențial extraordinar ca o frontieră pentru proiectarea de noi materiale”.

Ce urmeaza?

Cunoașterea arhitecturii microstructurilor naturale a reprezentat un pas uriaș înainte, dar Li și echipa sa au avut mai multe întrebări. A existat o cheie a modului în care creaturile își cresc scheletele, care ar putea arunca puțină lumină asupra modului de a le reproduce?

Li și colaboratorii săi au folosit imprimarea 3D pentru a modela și genera versiuni la scară largă ale acestor structuri complexe de zăbrele atât în ​​scopuri de cercetare, cât și în scopuri educaționale, o abordare utilă pentru înțelegerea complexității acestor geometrii unice. În timp ce modelele imprimate 3D create de echipa lui Li au fost într-adevăr inspiratoare din punct de vedere vizual, tehnologia necesară pentru a aduce pe piață noi micro-arhitecturi ceramice mai puternice rămâne încă în viitor. În prezent, imprimantele 3D produc structuri la nivelul micrometrului, dar imprimarea ceramicii necesită încă arderea produsului final, ceea ce poate introduce mulți pori și fisuri necontrolate. Aceste defecte fac structurile extrem de fragile. Li speră că progresele continue în domeniul imprimării 3D și înțelegerea ulterioară a mecanismelor de formare a structurilor biologice precum scheletele stelelor marine oferă în cele din urmă o soluție.

„Natura este capabilă să adune precursori minerali pentru a forma arhitecturi complexe la temperatura camerei și presiunea ambiantă”, a spus Li. „Acesta este ceva ce tehnologia umană modernă nu poate realiza în prezent. Virginia Tech are un interes puternic de cercetare în structurile minerale găsite în natură și sper că această direcție de cercetare interesantă poate duce într-o zi la dezvoltarea unei game largi de bio-inspirate. , materiale mai puternice și mai ușoare.”

Alți autori ai lucrării includ studenții absolvenți de Virginia Tech Hongshun Chen, Zhifei Deng, Liuni Chen și postdoc Zian Jia, James C. Weaver de la Universitatea Harvard și Emily Peterman de la Colegiul Bowdoin.

Lucrarea a fost finanțată de Fundația Națională pentru Știință, Oficiul de Cercetare Științifică a Forțelor Aeriene și Institutul pentru Tehnologie Critică și Știință Aplicată de la Virginia Tech.

.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.