En illustration visar en modell av trombocyt-matriskomposit i förgrunden och pärlemor, ett av naturens tuffaste material, i bakgrunden. Rice University-forskare har utvecklat datorsimuleringar för att avkoda naturliga material för att vägleda forskning om syntetiska multifunktionella kompositer. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University
Hur ett material går sönder kan vara den viktigaste egenskapen att tänka på när man designar skiktade kompositer som efterliknar de som finns i naturen. En metod av Rice Universitys ingenjörer avkodar interaktionerna mellan material och strukturerna de bildar och kan hjälpa till att maximera deras styrka, seghet, stelhet och frakturbelastning.
I en studie som krävde mer än 400 datorsimuleringar av trombocytmatriskompositmaterial som pärlemor, Rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari och gästforskaren Shafee Farzanian utvecklade en designkarta för att hjälpa till med syntesen av förskjutna kompositer för applikationer i alla skala, från mikroelektronik till bilar till rymdfarkoster, där lätt, multifunktionella strukturella kompositer är nyckeln.
Modellen integrerar geometrierna och egenskaperna hos olika blodplätts- och matriskomponenter för att beräkna kompositens styrka, seghet, stelhet och frakturbelastning. Att ändra någon arkitektonisk eller sammansättningsparameter justerar hela modellen när användaren söker den optimala psi, en kvantifiering av dess förmåga att undvika katastrofala misslyckanden.
Forskningen visas i Journal of Mechanics and Physics of Solids .
Naturliga kompositer är vanliga. Exempel inkluderar pärlemor (pärlemor), tand emalj, bambu och dactylklubborna av mantisräkor, som alla är arrangemang i nanoskala av hårda blodplättar förbundna med mjuka matrismaterial och arrangerade i överlappande tegel och murbruk, bouligand eller andra arkitekturer.
De fungerar eftersom de hårda delarna är tillräckligt starka för att ta stryk och tillräckligt flexibla (på grund av den mjuka matrisen) för att fördela spänning genom materialet. När de spricker, de kan ofta fördela eller begränsa skadan utan att misslyckas helt.
"Lättvikts naturmaterial är rikligt, "Shahsavari sa. "I dessa typer av material, två typer av hårdnande händer. En kommer före sprickförökning, när blodplättarna glider mot varandra för att lindra stress. Den andra är en del av skönheten med dessa material:hur de segar efter sprickutbredning.
En radarplot av en hård blodplättsmjuk matriskomposit som den överst visar hur ändring av värdena för varje ingång ändrar materialets styrka, anstränga, seghet och styvhet. I denna handling, vertikala tal representerar värden längs hållfasthetsaxeln. Handlingen är en produkt av en modell av materialforskare från Rice University som sa att den kommer att hjälpa till att skapa nya syntetiska material som kommer att efterlikna de tuffaste kompositer som finns i naturen. Forskarna fastställde att längden på blodplätten är den mest kritiska faktorn för kompositens förmåga att motstå katastrofala frakturer. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University
"Även när det finns en spricka, det betyder inte ett misslyckande, " sa han. "Sprickan kan stoppas eller avböjas flera gånger mellan lagren. Istället för att gå rakt genom materialet till ytan, vilket är ett katastrofalt misslyckande, sprickan stöter in i ett annat lager och sicksackar eller bildar ett annat komplext mönster som fördröjer eller helt förhindrar felet. Detta beror på att en lång och komplex sprickbana kräver mycket mer energi för att driva den, jämfört med en rak spricka."
Forskare och ingenjörer har arbetat i flera år med att replikera ljuset, tuff, starka och styva egenskaper hos naturmaterial, antingen med hårda och mjuka komponenter eller kombinationer av olika blodplättstyper.
Till ingenjörer, styvhet, seghet och styrka är distinkta egenskaper. Styrka är förmågan hos ett material att hålla ihop när det sträcks eller komprimeras. Styvhet är hur väl ett material motstår deformation. Seghet är förmågan hos ett material att absorbera energi innan det går sönder. I en tidigare tidning, rislabbet skapade kartor för att förutsäga egenskaperna hos kompositer baserat på dessa parametrar innan sprickutbredning.
Tillägget av sprickinducerad härdning i naturliga och biomimetiska material, Shahsavari sa, är en annan potent och intressant källa till hårdhet som ger extra försvarslinjer mot misslyckanden. "Modellerna avslöjade icke-intuitiva synergier mellan före- och eftersprickningshärdande fenomen, ", sa han. "De visade oss vilka arkitekturer och komponenter som skulle tillåta oss att kombinera de bästa egenskaperna hos var och en."
Baslinjemodellen gjorde det möjligt för forskarna att justera fyra värden för varje simulering:karakteristisk trombocytlängd, matrisens plasticitet, trombocytskillnadsförhållandet (när mer än en typ av blodplätt är involverad) och överlappningsförskjutningen av trombocyter, som alla är viktiga för kompositens egenskaper.
Under loppet av 400 simuleringar, modellen avslöjade att den största faktorn i psi kan vara trombocytlängd, sa Shahsavari. Den visade att korta blodplättar till stor del ger frakturkontroll till plasticiteten hos den mjuka matrisen, medan långa blodplättar tar tillbaka det. Blodplättslängder som fördelar frakturen jämnt och tillåter maximal spricktillväxt kan uppnå optimal psi och göra materialet bättre i stånd att undvika katastrofala misslyckanden.
Modellen kommer också att hjälpa forskare att designa om ett material kommer att misslyckas med en plötslig fraktur, som keramik, eller långsamt, som formbara metaller, genom att byta komponenter, använda kontrasterande blodplättar eller ändra arkitekturen.
Shahsavari är biträdande professor i civil- och miljöteknik och materialvetenskap och nanoteknik.
