Med hjälp av den iriserande pärlemor som ofta hittas foder snäckskal, forskare har konstruerat ett nytt kompositglas med ett starkt ökat motståndskraft mot stötar.

Glasets transparens och hållbarhet gör det till det valda materialet i otaliga applikationer. Men om det används "i en bil, en byggnad eller en smartphone, glaskomponenter är alltid de svagaste länkarna och de mest ömtåliga i hela systemet, "sade Francois Barthelat, en maskiningenjör vid McGill University i Montreal som tagit fram det nya glaset med sina kollegor. Under stress, glasets inneboende spröda natur innebär att redan befintliga brister inom det kan spridas, utlöser plötsligt katastrofalt misslyckande.

Strategier för att göra glas mer slagtåligt inkluderar laminering, som binder ihop två eller flera glasplattor med tunna skikt av harts eller andra polymerer däremellan, och härdning, som härdar glas genom uppvärmning och snabb kylning. Dock, Barthelat och hans kollegor tror att de kan göra det bättre genom att titta på naturen för att få inspiration.

Under de senaste 15 åren har de har fokuserat på pärlemorens struktur och mekanik, ett opalescent slagfast material, även känd som nacre, som hjälper till att skydda blötdjurens mjuka kroppar från starka rovdjurskäkar. "Djur tar relativt svaga ingredienser - ett sprött mineral, mjuka proteiner - och förvandla dem till en hård men extremt hård rustning, "Sa Barthelat.

Nyckeln till nacres seghet ligger i hur materialet är byggt som en tegelvägg, sammansatt av staplade lager av platta mikroskopiska mineraltabletter morterade tillsammans av proteiner. Dessa spröda kalciumkarbonatstenar kan glida förbi varandra när de är stressade, hjälper nacre att absorbera stötar.

För att efterlikna nacre, forskarna använde en pulserad ultraviolett laserstråle för att etsa fyrkantiga eller sexkantiga mönster på vanliga borosilikatglasark 220 mikron tjocka, eller ungefär dubbelt den genomsnittliga bredden på ett människohår. Dessa graverade plattor laminerades sedan med tunna skikt av plast var 125 mikron tjocka. Under denna process, glasskivorna separeras i individuella plattor, var och en ca 1 till 4 millimeter bred.

"Även om de strukturella egenskaperna hos nacre har varit välkända i årtionden, detta är första gången som en forskargrupp har översatt detta koncept till laminerat glas, "sa konstruktionsingenjören Kyriaki Corinna Datsiou vid University of Nottingham i England, som inte deltog i denna forskning men skrev en perspektivartikel om den nya forskningen för tidskriften där den publiceras.

De år av forskning som forskarna bedrev i nacre avslöjade viktiga detaljer som de ville efterlikna i sitt glas. Till exempel, brickorna kunde inte vara för långa, annars skulle de gå sönder, men om de var för korta, de skulle också gå sönder, Sa Barthelat. Mönstret måste också vara mycket exakt med begränsad slumpmässighet, medan lamineringsskikten måste vara mycket deformerbara, han lade till.

Forskarna fann att deras nacre-liknande glas var två till tre gånger mer slagfast än härdat eller laminerat glas och 15 till 24 gånger mer än vanligt glas. På samma gång, det var bara marginellt mindre transparent än konventionellt laminerat glas.

"Varje glasforskare kommer att berätta att att skjuta en kraftfull laser i ett glas är en dålig idé eftersom det kommer att skapa defekter och minska styrkan, "Sa Barthelat." Men vårt glas är ett bra exempel där materialborttagning och till synes försvagningsprocesser faktiskt gör materialet mycket bättre! "

Dessutom, "Tillverkningsmetoden vi utvecklade är relativt enkel och skalbar - man kan göra industriella volymer av detta material mycket enkelt och till en rimlig kostnad, "Sa Barthelat. Ansökningar för detta glas kan innefatta bilar och byggnader" som utsätts för vindburna skräp under vindstormhändelser eller för att spränga kraft under terrorism eller kriminalitetsscenarier, "Sa Datsiou.

Forskarna noterade att deras nacre-liknande glas var 10% till 15% mindre styvt än vanligt glas, vilket gör det mer troligt att spänna under tryck. Att kompensera, de föreslog att man skulle lägga till en vanlig glasplatta framför sitt nacre-liknande glas, vilket kan öka den totala styrkan till upp till 90% av laminerat glas.

I framtiden, forskarna vill göra en mängd olika nacre-liknande glasögon, som krökta föremål, eller ultratunna ark för pekskärmar. "Vi vill också utveckla versioner av vårt glasglas som är böjbara-en tunn platta av detta glas skulle böjas till stora deformationer, och sedan återhämta sig utan skada, "Sa Barthelat.

Datsiou noterade också att framtida nacre-liknande glas kan innehålla andra funktioner som finns i naturlig pärlemor, såsom den vågiga formen eller mikroskopiskt grova ytor på nakertabletter. Detta kan öka dess styvhet och andra egenskaper, hon förklarade.

Forskarna redogjorde för sina fynd i tidningen 28 juni Vetenskap .

Denna berättelse publiceras igen med tillstånd av Inside Science. Läs den ursprungliga historien här. Använd med tillstånd. Inside Science är en redaktionellt oberoende nyhetstjänst från American Institute of Physics.