Skalen från marina organismer tar stryk av stötar på grund av stormar och tidvatten, klippiga stränder, och skarptandade rovdjur. Men som nyare forskning har visat, en typ av skal sticker ut över alla andra i sin seghet:snäckan.

Nu, forskare vid MIT har utforskat hemligheterna bakom dessa skals extraordinära slagtålighet. Och de har visat att denna överlägsna styrka kan reproduceras i konstruerade material, potentiellt för att ge den bästa skyddande huvudbonaden och kroppsskydden någonsin.

Fynden redovisas i tidskriften Avancerade material , i en artikel av MIT-studenten Grace Gu, postdoc Mahdi Takaffoli, och McAfee professor i teknik Markus Buehler.

Conch-skal "har denna alldeles unika arkitektur, Gu förklarar. Strukturen gör materialet 10 gånger segare än pärlemor, allmänt känd som pärlemor. Denna hårdhet, eller motståndskraft mot frakturer, kommer från en unik konfiguration baserad på tre olika nivåer av hierarki i materialets interna struktur.

Strukturen i tre nivåer gör det mycket svårt för små sprickor att spridas och förstoras, säger Gu. Materialet har en "sicksackmatris, så sprickan måste gå genom en slags labyrint" för att sprida sig, hon säger.

Tills nyligen, även efter att strukturen av snäckskalet förstods, "du kunde inte replikera det så bra. Men nu, vårt labb har utvecklat 3D-utskriftsteknik som gör att vi kan duplicera den strukturen och testa den, säger Buehler, som är prefekt för institutionen för anläggnings- och miljöteknik.

En del av innovationen i detta projekt var teamets förmåga att både simulera materialets beteende och analysera dess faktiska prestanda under realistiska förhållanden. "Förr, mycket testning [av skyddsmaterial] var statisk testning, " Gu förklarar. "Men många applikationer för militär användning eller sport involverar mycket dynamisk lastning, " vilket kräver en detaljerad undersökning av hur en påverkans effekter sprider sig över tiden.

För detta arbete, forskarna gjorde tester i ett falltorn som gjorde det möjligt för dem att observera exakt hur sprickor uppstod och spreds – eller inte spred sig – i de första ögonblicken efter en kollision. "Det var fantastisk överensstämmelse mellan modellen och experimenten, " säger Buehler.

Det beror delvis på att teamet kunde 3D-skriva ut kompositmaterial med exakt kontrollerade strukturer, istället för att använda prover av riktiga skal, som kan ha oförutsägbara variationer som kan komplicera analysen. Genom att skriva ut proverna, "vi kan använda exakt samma geometri" som används i datorsimuleringarna, "och vi får mycket god överenskommelse." Nu, i att fortsätta arbetet, de kan fokusera på att göra små variationer "som en grund för framtida optimering, " säger Buehler.

För att testa den relativa betydelsen av de tre strukturnivåerna, teamet försökte göra varianter av materialet med olika nivåer av hierarki. Högre nivåer av hierarki introduceras genom att inkorporera mindre längdskaliga egenskaper i kompositen, som i en riktig konkyla. Säker nog, strukturer på lägre nivå visade sig vara betydligt svagare än den högsta nivån som eftersträvades i denna studie, som bestod av de korslamellära egenskaperna som är inneboende i naturliga snäckskal.

Testning visade att geometrin med den konchliknande, kors och tvärs var 85 procent bättre på att förhindra sprickutbredning än det starkaste basmaterialet, och 70 procent bättre än ett traditionellt fiberkompositarrangemang, säger Gu.

Skyddshjälmar och annan slagtålig utrustning kräver en nyckelkombination av både styrka och seghet, Buehler förklarar. Styrka avser ett materials förmåga att motstå skador, vilket stål gör sig bra, till exempel. Seghet, å andra sidan, hänvisar till ett materials förmåga att avleda energi, som gummi gör. Traditionella hjälmar använder ett metallskal för styrka och ett flexibelt foder för både komfort och energiavledning. Men i det nya kompositmaterialet, denna kombination av kvaliteter sprids genom hela materialet.

"Det här har stelhet, som glas eller keramik, "Bühler säger, men det saknar sprödheten hos dessa material, tack vare integreringen av material med olika grader av styrka och flexibilitet i kompositstrukturen. Som plywood, kompositen består av lager vars "korn, " eller den interna anpassningen av dess material, orienteras olika från ett lager till nästa.

På grund av användningen av 3D-utskriftsteknik, detta system skulle göra det möjligt att tillverka individualiserade hjälmar eller andra kroppsrustningar. Varje hjälm, till exempel, skulle kunna skräddarsys och anpassas; datorn skulle optimera den för dig, baserat på en skanning av din skalle, och hjälmen skulle tryckas bara för dig, " säger Gu.

Forskningen stöddes av Office of Naval Research, ett National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, Defense University Research Instrumentation Program (DURIP), Institutet för soldatnanoteknik (ISN), och Kanadas naturvetenskapliga och tekniska forskningsråd.