Ling Li, en biträdande professor i maskinteknik vid Virginia Tech, har hittat insikter i att bygga starkare och tuffare keramik genom att studera skalen på musslor.

Detta perspektiv bildas genom att titta på kapaciteten hos de grundläggande mineralbyggstenarna i skalet att förutse sprickor, istället för att bara fokusera på strukturens form och kemi. Resultaten av hans grupps resultat publicerades den 10 november, 2020, frågan om Naturkommunikation .

Li's team genomförde en djupgående analys av de mikroskopiska strukturerna hos skalen på pennskalsmollusker, musslor som är infödda i Karibien. Skalen på dessa djur består av två lager, ett inre pärlemorlager och ett brunfärgat yttre lager. Det inre pärlemorlagret, även känd som pärlemor, är ofta iriserande på grund av dess regelbundna nanoskopiska lagerstruktur, liknande färgmekanismen för många flaskflugevingar.

Lis team fokuserade sin uppmärksamhet på det yttre lagret, som är sammansatt av prismaformade kalcitkristaller arrangerade i ett mosaikmönster. Mellan intilliggande mineralkristaller, mycket tunn (ungefär 0,5 mikrometer, mindre än en hundradel av storleken på ett människohår) finns organiska gränssnitt som limmar ihop kristallerna. Kalcitkristallerna är ungefär en halv millimeter långa och 50 mikrometer i diameter, liknar långsträckta prismor.

Till skillnad från många geologiska eller syntetiska kristaller, där atomerna i deras kristallina korn är perfekt ordnade på ett periodiskt sätt, kalcitkristallerna i pennskalen innehåller många nanoskopiska defekter, huvudsakligen sammansatt av organiska ämnen.

"Du kan överväga den biologiska keramiken, i det här fallet pennskalets kalcitkristaller, som en sammansatt struktur, där många inneslutningar i nanostorlek är fördelade inom dess kristallina struktur, " sade Li. "Detta är särskilt anmärkningsvärt eftersom kalcitkristallen i sig fortfarande är en enda kristall."

I vanliga fall, förekomsten av strukturella defekter innebär en plats för potentiellt fel. Det är därför det normala tillvägagångssättet är att minimera de strukturella diskontinuiteterna eller spänningskoncentrationerna i tekniska strukturer. Dock, Lis team visar att storleken, mellanrum, geometri, orientering, och distributionen av dessa nanoskaliga defekter inom biomineralen är mycket kontrollerad, förbättrar inte bara den strukturella hållfastheten utan också skadetoleransen genom kontrollerad sprickbildning och brott.

När dessa skal utsätts för en yttre kraft, kristallen minimerar plastavkastningen genom att hindra dislokationsrörelsen, ett vanligt sätt för plastisk deformation i ren kalcit, med hjälp av dessa interna nanoskopiska defekter. Denna förstärkningsmekanism har använts i många strukturella metallegeringar, såsom aluminiumlegering.

Förutom att tillföra styrka, denna design tillåter strukturen att använda sina sprickmönster för att minimera skador på det inre skalet. Det mosaikliknande sammankopplade mönstret av kalcitkristallerna i prismaskiktet innehåller vidare storskaliga skador när den yttre kraften sprids över de enskilda kristallerna. Strukturen kan spricka för att avleda den externa belastningsenergin utan att misslyckas.

"Det är klart att dessa nanoskopiska defekter inte är en slumpmässig struktur, men istället, spelar en viktig roll för att kontrollera de mekaniska egenskaperna hos denna naturliga keramik, " sa Li. "Genom mekanismerna som upptäckts i denna studie, organismen förvandlar verkligen den ursprungligen svaga och spröda kalciten till en stark och hållbar biologisk rustning. Vi experimenterar nu med möjlig tillverkningsbearbetning, som 3D-utskrift, att implementera dessa strategier för att utveckla keramiska kompositer med förbättrade mekaniska egenskaper för strukturella applikationer."