Ankarspiklarna som håller svamparten Euplectella aspergillum mot havsbotten har en intrikat skiktad inre struktur. Liknande skiktade strukturer är kända för att öka segheten hos material som ben och pärlemor. Men denna nya forskning finner att skiktningen i spiklarna inte gör mycket för att förbättra segheten. Forskningen kan hjälpa till att undvika "naiv biomimik, " säger forskarna. Kredit:Kesari Lab/Brown University
Nacre – den skimrande delen av blötdjursskal – är ett affischbarn för biologiskt inspirerad design. Trots att den är gjord av skör krita, den intrikat skiktade mikrostrukturen av pärlemor ger den en anmärkningsvärd förmåga att motstå spridningen av sprickor, en materialegenskap som kallas seghet.
Ingenjörer som vill designa tuffare material har länge försökt efterlikna denna typ av naturliga lager, som också finns i snäckskal, hjorthorn och andra ställen. Men en ny studie av Brown University-forskare tjänar som en varning:Inte alla skiktade strukturer är så tuffa.
Studien, publiceras i Naturkommunikation , testade en annan skiktad mikrostruktur som är känd för sina fysikaliska egenskaper - ankarspetsarna i en havssvamp som heter Euplectella aspergillum. Spikulerna är små filament av lager glas som håller svamparna mot havsbotten. Den skiktade strukturen hos spiklarna jämförs ofta med den hos pärlemor, forskarna säger, och det har antagits att spikelstrukturen på liknande sätt förbättrar segheten. Denna nya studie finner något annat.
"Trots likheterna mellan arkitekturerna hos pärlemor och Euplectella spicules, vi fann att spiculens arkitektur gör relativt lite när det gäller att förbättra dess seghet, i motsats till ett sedan länge hållet antagande, sa Max Monn, en nyutexaminerad Ph.D. student vid Brown och en studiemedförfattare.
För studien, forskarna jämförde segheten hos Euplectella spicules med de hos en annan svampart, Tethya aurantia. Tethya spicules har en liknande kemisk sammansättning som Euplectella spicules men saknar den skiktade strukturen. För att testa seghet, laget satte små skåror i spiklarna och böjde dem sedan. Genom att mäta energin som förbrukas när sprickor fortplantar sig från skårorna under böjbelastning, forskarna kunde kvantifiera segheten hos båda typerna av spicules.
Forskarna fann att när skiktad arkitektur är böjd, sprickor kan fortplanta sig från lager till lager. Det förnekar den seghetsförbättring som normalt är förknippad med skiktning i styva biologiska material. Kredit:Kesari Lab / Brown University
Experimenten visade mycket liten skillnad i seghet mellan de två spiklarna, vilket tyder på att Euplectellas skiktning inte ger mycket av en seghetsförbättring. Med hjälp av datormodellering, forskarna kunde undersöka djupare varför skiktning förbättrar segheten i vissa material och inte andra. Modellerna visade att krökningen av skiktningen i cylindriska spikler verkar stänga av seghetsförstärkningen av skiktade strukturer. Platta lager, som de som finns i pärlemor, verkar förhindra sprickor från att spridas från ett lager till nästa, säger forskarna. Men i material med böjda lager som Euplectella spicules, sprickor kan hoppa från lager till lager istället för att stoppas mellan lagren.
Fynden avslöjar ett tidigare okänt samband mellan krökning och seghet i skiktade material och har implikationer för designen av bioinspirerade kompositmaterial, säger Haneesh Kesari, en biträdande professor vid Browns School of Engineering och tidningens senior författare.
"Specifikt, det visar att om du använder en skiktad arkitektur för att förbättra ett materials seghet, du bör vara försiktig med områden som kräver att lagren är krökta, "Sade Kesari. "Våra mätningar av spiklarna och resultat från vår beräkningsmodell visar att böjda lager inte ger samma styrka av seghetsförbättringar som när lager är platta."
Fynden betyder inte att den skiktade strukturen hos Euplectella spicules inte är intressant. Tidigare arbete från Kesaris labb har visat att den skiktade strukturen avsevärt tycks öka spiklarnas böjhållfasthet - för att motstå stora böjkurvaturer innan de misslyckas. Men böjhållfasthet och seghet är väldigt olika mekaniska egenskaper, och att hjälpa till att skingra tanken att skiktning alltid ökar segheten är en användbar insikt för bioinspirerad design i allmänhet, säger forskarna.
"Vår studie indikerar att inte alla skiktade arkitekturer ger betydande förbättring av segheten, " sa Sayaka Kochiyama, en brun doktorand och studiemedförfattare. "Denna bättre förståelse av struktur-egenskapsförhållande är nödvändigt för att undvika naiv biomimik."
