Människor har hämtat teknisk inspiration från fiskvågar som går tillbaka till antiken:romare, Egyptier, och andra civilisationer skulle klä sina krigare i skalpansar, ger både skydd och rörlighet. Nu, med hjälp av avancerad röntgenbildteknik, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) forskare har karaktäriserat karpskalor ner till nanoskala, gör det möjligt för dem att förstå hur materialet är motståndskraftigt mot inträngning samtidigt som det bibehåller flexibiliteten.

Forskarna använde kraftfulla röntgenstrålar vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) för att se hur fibrerna i karpvågar reagerar när stress appliceras. Som de skrev i sin tidning, publicerades nyligen i tidningen Materia , vad de hittade "kan mycket väl ge ytterligare inspiration för utformningen av avancerade syntetiska konstruktionsmaterial med en aldrig tidigare skådad seghet och penetrationsmotstånd."

"Strukturen av biologiska material är helt fascinerande, "sa huvudförfattaren Robert Ritchie, från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som ledde detta arbete med Marc Meyers, professor i nanoteknik och maskinteknik vid UC San Diego. "Vi gillar att efterlikna dessa egenskaper i konstruktionsmaterial, men det första steget är att se hur naturen gör det. "

Fiskvågar har ett hårt yttre skal med ett mjukare inre lager som är segt och seg. När något som ett rovdjurs tänder försöker sjunka ner i vågen, det yttre skalet motstår penetrationen men det inre måste absorbera all överflödig belastning för att hålla skalan i ett stycke. Hur gör det här? Det visar sig att fibrerna i skalan, som består av kollagen plus mineraler, är i en vriden orientering, kallas en Bouligand -struktur. När materialet belastas, fibrerna roterar i följd för att absorbera överflödig belastning.

"Det kallas adaptiv omorientering. Det är som ett smart material, sa Ritchie, som också är professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Med hjälp av en teknik som kallas liten vinkel röntgenspridning, vi kan följa det i realtid med hjälp av synkrotronen. Vi bestrålar det med röntgenstrålar, och vi kan faktiskt se fibrerna rotera och röra sig. "

Kollagenet som utgör mänsklig hud, å andra sidan, är "allt förvirrad som en skål med spagetti, men det kan riva upp och anpassa sig för att absorbera energi, vilket gör huden otroligt motståndskraftig mot rivning, "Sade Ritchie. Bouligandstrukturen i karpskalan är mycket mer organiserad men ger fortfarande en mycket effektiv härdningsmekanism.

Den andra anmärkningsvärda egenskapen hos en karpskala är lutningen mellan de hårda och mjuka skikten. "Om vi ​​gjorde det som rustning, vi skulle ha ett gränssnitt mellan det hårda och mjuka materialet. Gränssnittet är alltid en plats där sprickor och fel börjar, sa Ritchie, en expert på hur material misslyckas. "Så som naturen gör det:I stället för att ha dessa gränssnitt där det finns diskontinuitet mellan ett material och ett annat, naturen gör en perfekt gradient från det hårda till det mjuka (tuffare) materialet. "

Arbetar i samarbete med forskarna vid UC San Diego, laget har tidigare studerat arapaima, en Amazonas sötvattenfisk vars vågar är så hårda att de är ogenomträngliga för piranha, liksom andra arter. För denna studie valde de karpen, en modern version av den gamla coelacanthfisken, också känd för att ha vågar som fungerar som rustning.

Nu när karpvågarnas deformations- och felmekanismer har karaktäriserats, att försöka återge dessa egenskaper i ett konstruktionsmaterial är nästa utmaning. Ritchie noterade att framsteg inom 3D-utskrift kan ge ett sätt att producera lutningar som naturen gör, och därmed göra ett material som är både hårt och segt.

"När vi får ett bättre grepp om hur man manipulerar 3D-utskrift, vi kan börja göra mer material i bilden av naturen, " han sa.