Mantisräkan erövrar sitt byte med ett "dactyl club"-bihang, som består av ett kompositmaterial som blir segare när sprickor vrider sig. Kredit:Purdue University bild/Pablo Zavattieri
Superfjädrande material som finns i djurriket har sin styrka och seghet till en designstrategi som får sprickor att följa fibrernas vridningsmönster, förhindra katastrofala misslyckanden.
Forskare i en ny serie artiklar har dokumenterat detta beteende i exakta detaljer och skapar också nya kompositmaterial modellerade efter fenomenet. Arbetet utfördes av ett team av forskare vid Purdue University i samarbete med University of California, Riverside.
Forskarna studerade den övernaturliga styrkan hos ett kompositmaterial i en havsdjur som kallas mantisräkan, som använder ett slagtåligt bihang för att slå sitt byte till underkastelse.
"Dock, vi ser samma typ av designstrategi inte bara i mantisräkan, men också hos många djur, sa Pablo Zavattieri, professor vid Purdues Lyles School of Civil Engineering. "Baggar använder det i sina skal, till exempel, och vi ser det också i fiskfjäll, hummer och krabbor."
Det som gör att mantisräkan sticker ut är att den faktiskt kan krossa och besegra sina bepansrade byten (främst blötdjur och andra krabbor), som också är kända för sin skadetolerans och utmärkta mekaniska egenskaper. Mantisräkan erövrar dem med sin "dactylklubba, " ett bihang som släpper lös en störtflod av våldsamma nedslag med hastigheten på en 0,22-kaliberkula.
Nya rön visar att klubbans kompositmaterial faktiskt blir tuffare när en spricka försöker vrida sig, i praktiken stoppa dess framsteg. Denna sprickvridning styrs av materialets fibrer av kitin, samma ämne som finns i många marina kräftdjursskal och insekters exoskelett, arrangerad i en spiralformad arkitektur som liknar en spiraltrappa.
"Denna mekanism har aldrig studerats i detalj tidigare, ", sa Zavattieri. "Vad vi finner är att när en spricka vrider sig minskar drivkraften för att växa sprickan gradvis, främja bildandet av andra liknande mekanismer, som förhindrar att materialet faller isär katastrofalt. Jag tror att vi äntligen kan förklara varför materialet är så tufft."
Två artiklar publicerades i Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials och International Journal of Solids and Structures. Uppsatserna var medförfattare av Purdue doktorand Nobphadon Suksangpanya; UC Riverside doktorand Nicholas A. Yaraghi; David Kisailus, en UC Riverside professor i kemi- och miljöteknik och materialvetenskap och ingenjörskonst; och Zavattieri.
"Denna spännande nya analytiska, beräknings- och experimentarbete, som följer upp vår första biokompositkarakterisering av helicoiden inom mantisräkans klubba och biomimetiska kompositarbete, ger verkligen en djupare insikt om mekanismerna för härdning inom denna unika struktur, sa Kisailus.
Den spiralformade arkitekturen hos en mantisräkas daktylklubba är naturligt utformad för att överleva upprepade höghastighetsslag. Kredit:University of California, Riverside, Skannaelektronmikroskopbild /David Kisailus
"Det nya med detta arbete är att på teorisidan, vi utvecklade en ny modell, och på den experimentella sidan använde vi etablerade material för att skapa kompositer som validerar denna teori, " sa Zavattieri.
Tidigare forskning har visat att denna helikoida arkitektur är naturligt utformad för att överleva de upprepade höghastighetsslagen, avslöjar att fibrerna också är ordnade i ett fiskbensmönster i bihangets yttre lager.
I den nya forskningen, teamet har lärt sig specifikt varför detta mönster ger sådan seghet:när sprickor bildas, de följer vridningsmönstret snarare än att sprida sig rakt över strukturen, får det att misslyckas. Bilder tagna med ett elektronmikroskop vid UC Riverside visar att istället för att en enda spricka fortsätter att fortplanta sig, Det bildas många mindre sprickor - som leder bort energin som absorberas av materialet vid stöten.
Forskarna skapade och testade 3-D-tryckta kompositer modellerade efter fenomenet, fånga sprickbeteendet med kameror och digitala bildkorrelationstekniker för att studera materialets deformation.
Forskare har modellerat 3D-utskrivna kompositer efter de vridande sprickorna som är ansvariga för styrkan hos mantisräkans daktylklubba. Kredit:Purdue University bild/Pablo Zavattieri
Byron Pipes, Purdues John L. Bray Distinguished Professor of Engineering, hjälpte Suksangpanya att tillverka glasfiberförstärkta kompositer som inkorporerade detta fenomen.
"Vi etablerar nya mekanismer som inte var tillgängliga för oss tidigare för kompositer, "
sa Zavattieri. "Traditionellt, När vi tillverkar kompositer sätter vi ihop fibrer på sätt som inte är optimala, och naturen lär oss hur vi ska göra det."
Fynden hjälper nu utvecklingen av tändare, starkare och tuffare material för många applikationer inklusive flyg, fordon och sport.
