Af die skale: het Fish harnas beide harde en buigsame

Die navorsers gebruik kragtige X-straal-balke by Berkeley Lab se Advanced Light Bron (ALS) om te kyk hoe die vesel in karp skale reageer as stres toegepas word. As hulle geskryf het in hul papier, wat onlangs in die joernaal materie, wat hulle gevind "kan ook verdere inspirasie vir die ontwerp van 'n gevorderde sintetiese strukturele materiaal met ongekende taaiheid en penetrasie weerstand."

"Die struktuur van biologiese materiaal is absoluut fassinerend," sê hoofskrywer Robert Ritchie, van Berkeley Lab se Materials Afdeling, wat hierdie werk met Marc Meyers, 'n professor van nanoengineering en meganiese ingenieurswese aan UC San Diego leiding. "Ons wil graag naboots hierdie eienskappe in ingenieursmateriale, maar die eerste stap is om te sien hoe die natuur dit doen."

Skubbe het 'n harde buitenste skil met 'n sagter binneste laag wat is taai en rekbaar. Wanneer iets soos tande 'n roofdier se probeer om te sink in die weegskaal, die buitenste skil weerstaan ​​die penetrasie maar die innerlike moet al die oortollige las absorbeer om die skaal in een stuk te hou. Hoe werk dit doen? Dit blyk dat die vesel in die skaal, wat bestaan ​​uit kollageen plus minerale, is in 'n gedraaide geaardheid, bekend as 'n Bouligand struktuur. Wanneer stres is van toepassing op die materiaal, die vesel draai in volgorde om die oortollige las absorbeer.

"Dit is bekend as adaptive heroriëntering. Dis soos 'n slim materiaal," het Ritchie, wat ook 'n professor van materiaal wetenskap en ingenieurswese aan UC Berkeley. "Die gebruik van 'n tegniek genoem klein hoek X-straal verstrooiing, kan ons volg wat in reële tyd met behulp van die synchrotron. Ons bestraal dit met X-strale, en ons kan eintlik sien die vesel roterende en beweeg."

Die kollageen wat maak mens se vel, aan die ander kant, is "alles deurmekaar soos 'n bak van spaghetti, maar dit kan ontrafel en align om energie, wat die vel ongelooflik weerstand teen skeur maak absorbeer," het Ritchie. Die Bouligand struktuur in die karp skaal is veel meer georganiseerd, maar nog steeds maak vir 'n baie doeltreffende taai meganisme.

Die ander noemenswaardige eienskap van 'n karp skaal is die gradiënt tussen die harde en sagte lae. "As ons besig was om dit as wapens, sou ons 'n koppelvlak tussen die harde en sagte materiaal het. Die koppelvlak is altyd 'n plek waar krake en mislukkings te begin," het Ritchie, 'n kenner in hoe materiale misluk. "Die manier waarop die natuur doen dit: In plaas daarvan om hierdie interfaces waar daar diskontinuïteit tussen een materiaal en ander, die natuur maak 'n perfekte helling van die moeilik om die sagte (moeiliker) materiaal."

Werk in samewerking met die navorsers by UC San Diego, het die span voorheen die arapaima, 'n Amazone varswatervis wie se skale is so taai hulle is ondeurdringbare aan piranha, sowel as ander spesies. Vir hierdie studie het hulle verkies om die karp, 'n moderne weergawe van die antieke selakant vis, ook bekend vir die feit dat skale wat optree as wapens.

Nou dat die vervorming en mislukking meganismes van karp skale is gekenmerk, probeer om hierdie eienskappe voort te plant in 'n ingenieurs materiaal is die volgende uitdaging. Ritchie opgemerk dat vooruitgang in 3D druk 'n manier kon verskaf om die produk naam gradients die manier aard doen, en dus 'n materiaal wat beide harde en taai.

"Sodra ons 'n beter hanteer oor hoe om 3D druk manipuleer kry, kan ons begin om meer materiaal te maak in die beeld van die natuur," het hy gesê.

Die AS is 'n departement van energie Kantoor van Wetenskap gebruiker fasiliteit. Die studie is deur 'n skenking van die Lugmag Kantoor van wetenskaplike navorsing.