Aus der Waage: Fisch Rüstung beide zäh und flexibel

Die Forscher verwendeten leistungsstarke Röntgenstrahlen in Berkeley Lab Advanced Light Source (ALS) zu beobachten, wie die Fasern in Karpfenskalen reagieren als Stress angewendet wird. Als sie in ihrem Papier geschrieben, die vor kurzem in der Zeitschrift Matter veröffentlicht, was sie gefunden „kann auch liefern weitere Inspiration für die Gestaltung von modernen synthetischen Strukturmaterialien mit noch nie da gewesenen Zähigkeit und Eindringwiderstand.“

„Die Struktur von biologischen Materialien absolut faszinierend“, sagte der leitende Autor Robert Ritchie, von Berkeley Lab Materials Sciences Division, die diese Arbeit mit Marc Meyers geleitet, Professor für Nanotechnik und Maschinenbau an der UC San Diego. „Wir möchten imitieren diese Eigenschaften in technischen Materialien, aber der erste Schritt ist, um zu sehen, wie die Natur es tut.“

Fischschuppen hat eine harte Außenschale mit einer weicheren Innenschicht, die zäh und duktil ist. Wenn so etwas wie die Zähne eines Raubtier sink in die Waagschale versuchen, widersteht die Außenschale des Eindringens aber die innere hat alle Überlast zu absorbieren, die Skala in einem Stück zu halten. Wie funktioniert es das tun? Es stellt sich heraus, dass die Fasern in der Skala, die aus Kollagen und Mineralien hergestellt wird, sind in einer verdrillten Ausrichtung, eine Bouligand Struktur bezeichnet. Wenn Spannung auf das Material aufgebracht wird, drehen sich die Fasern in Folge, um die Überlast zu absorbieren.

„Es ist adaptive Neuausrichtung genannt. Es ist wie ein intelligentes Material“, sagte Ritchie, der auch Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UC Berkeley. „Eine Technik Mit Hilfe von kleiner Winkelröntgenstreuung genannt, können wir das in Echtzeit mit dem Synchrotron folgen. Wir bestrahlen es mit Röntgenstrahlen, und wir können tatsächlich die Fasern Drehen und Bewegen sehen.“

Das Kollagen, das die menschliche Haut, auf der anderen Seite macht, ist „alles wie ein Teller Spaghetti vermasselte, aber es kann entwirren und align Energie zu absorbieren, die Haut gegen das Zerreißen unglaublich resistent macht“, sagte Ritchie. Die Bouligand Struktur im Karpfen Skala ist viel besser organisiert, aber macht immer noch für eine sehr effektive Abhärtung Mechanismus.

Die andere bemerkenswerte Eigenschaft einer Karpfenskala ist der Gradient zwischen den harten und weichen Schichten. „Wenn wir das als Rüstung herstellte, würden wir eine Schnittstelle zwischen dem harten und weichen Material haben. Die Schnittstelle ist immer ein Ort, an dem Risse und Fehlschläge beginnen“, sagte Ritchie, ein Experte in, wie Materialien versagen. „Die Art und Weise der Natur tut es: Anstatt diesen Schnittstellen aufweisen, wo gibt es Diskontinuität zwischen einem Material und einem anderen, macht die Natur einen perfekten Farbverlauf von den harten zum weichen (härter) Material.“

In Zusammenarbeit mit den Forschern an der UC San Diego, hat das Team studierte zuvor die arapaima, eine Amazonensüßwasserfische, deren Skalen sind so hart, sie zu piranha undurchdringlich sind, sowie andere Arten. Für diese Studie wählten sie den Karpfen, eine moderne Version des alten coelacanth Fisch, auch mit Skalen, die wirken als Rüstung bekannt.

Nun, da die Verformungs- und Versagensmechanismen von Karpfenskalen charakterisiert wurden, diese Eigenschaften in einem technischen Material zu reproduzieren versucht, ist die nächste Herausforderung. Ritchie stellte fest, dass Fortschritte in der 3D-Druck einen Weg bieten könnte zu produzieren Gradienten die Art und Weise der Natur der Fall ist, und somit ein Material machen, die sowohl hart als auch dehnbar ist.

„Sobald wir einen besseren Griff bekommen, wie 3D-Druck zu manipulieren, können wir mehr Materialien in dem Bild der Natur zu machen beginnen“, sagte er.

Die ALS ist ein Department of Energy Office of Science Benutzermöglichkeiten. Die Studie wurde unterstützt durch einen Zuschuss von der Air Force Office of Scientific Research unterstützt.