Off skalach: Ryba pancerza zarówno twardych i elastycznych

Naukowcy wykorzystali potężne X-ray Belki w Berkeley Lab nowoczesne źródło światła (ALS), aby obserwować, jak włókna w skalach karpia reagują jak stres jest stosowana. Jak napisali w swoim artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie znaczenia, co znaleźli „może również dostarczyć dalszych inspiracji do projektowania zaawansowanych syntetycznych materiałów konstrukcyjnych o niespotykanej wytrzymałości i odporności na penetrację”.

„Struktura materiałów biologicznych jest absolutnie fascynujący”, powiedział główny autor Robert Ritchie, z materiałów Sciences Division Berkeley Lab, który stał na czele tej pracy Marc Meyers, profesor inżynierii mechanicznej i Nanoinżynierii w UC San Diego. „Chcemy, aby naśladować tych właściwości w materiałach konstrukcyjnych, ale pierwszym krokiem jest sprawdzenie, w jaki sposób natura robi.”

Łuski ryb posiada twardą zewnętrzną powłokę z bardziej miękką warstwę wewnętrzną, która jest twarda i ciągliwego. Kiedy coś zębami drapieżnika starają się pogrążyć skalach, zewnętrzna powłoka jest odporna na wnikanie ale wewnętrzna musi wchłonąć cały nadmiar obciążenia, aby utrzymać wagę w jednym kawałku. Jak to się to zrobić? Okazuje się, że włókna w skali, która składa się z kolagenu powiększonej minerałów, są skręcone orientacji, zwany strukturą Bouligand. Gdy nacisk jest stosowane do materiału z włókien obraca się w sekwencji, aby pochłaniać nadmiar ładunku.

„To się nazywa adaptacyjne reorientacja. To jak materiały inteligentne”, powiedział Ritchie, który jest również profesorem nauki i inżynierii materiałowej na UC Berkeley. „Za pomocą techniki zwanej mały kąt rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, że możemy śledzić w czasie rzeczywistym za pomocą synchrotronu. Mamy naświetlać ją promieniami rentgenowskimi, a my możemy rzeczywiście zobaczyć włókien obracanie i ruchu.”

Kolagen, który tworzy ludzką skórę, z drugiej strony, jest „wszystko pomieszane jak miskę spaghetti, ale może rozwikłać i wyrównać do absorbowania energii, co sprawia, że ​​skóra bardzo odporna na rozrywanie,” Ritchie powiedział. Struktura Bouligand w skali karpia jest dużo bardziej zorganizowane, ale wciąż sprawia, że ​​jest bardzo skuteczny mechanizm hartowania.

Drugi zauważyć charakterystyczną skali karp gradient od twardych i miękkich warstwach. „Gdybyśmy robili to jako pancerz, musielibyśmy interfejs pomiędzy twardym i miękkim materiałem. Interfejs jest niezmiennie miejsce, w którym zaczynają się pęknięcia i porażki”, powiedział Ritchie, ekspert w jaki sposób materiały zawodzą. „Sposób, w jaki natura robi to: Zamiast tych interfejsów, gdzie jest przerwa między jednym a drugim materiałem, natura sprawia, że ​​doskonałe gradientu z twardego materiału miękkiego (twardszego).”

Praca we współpracy z naukowcami z UC San Diego, zespół już wcześniej badali Arapaima An Amazonii ryb słodkowodnych, którego łuski są tak trudne, że są nieprzeniknione do piranii, a także inne gatunki. W tym badaniu wybrali karpia, nowoczesną wersją starożytnego Latimerię ryb, znany również za to, że łuski, które działają jak pancerz.

Teraz, że mechanizmy deformacji i brak łuski karpia zostały scharakteryzowane, starając się odtworzyć te właściwości w materiale inżynierskiej jest kolejnym wyzwaniem. Ritchie zauważyć, że postęp w drukowanie 3D może stanowić sposób wytwarzania gradienty w naturalny sposób nie, a tym samym do materiałów, które są twarde i ciągliwego.

„Raz lepiej uchwyt na jak manipulować drukowanie 3D, możemy zacząć zarabiać więcej materiałów na obraz natury”, powiedział.

ALS jest Departament Urzędu Energii obiektu użytkownika Science. Badanie zostało poparte dotacji z Air Force Office of Badań Naukowych.