O vedetă în lumea ingineriei ceramice | VTx

O vedetă în lumea ingineriei ceramice |  VTx

Schelete de stele de mare: o rețea ceramică arhitecturată naturală

În această lucrare, Li și echipa sa și-au îndreptat privirea către scheletul stelei de mare noduroase. 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 post-doctorat la Institutul de Tehnologie din Massachusetts), a făcut o observație care le-a stârnit interesul: la microscală, scheletul stelelor de mare a prezentat o arhitectură în zăbrele 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 de mare 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 de mare 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 noduțe 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 cu zăbrele foarte obișnuite sunt realizate prin combinarea materialelor cu cristale mici pentru a crea compozite, dar acest lucru este nou. A crescut ca o singură bucată.”

Această structură permite unei stele de mare să-și întărească 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 stelele de mare, cercetătorii au descoperit, de asemenea, 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 de mare și alte echinoderme care trăiesc în medii extrem de prădătoare ale fundului mării dezvăluie o lume de inovații 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 stele de mare. Acest nou studiu al proprietăților de bază ale ingineriei mecanice 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 de stele de mare 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.

informatii suplimentare

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.