University of California, Irvines materialvetenskapsforskare lär sig om motståndskraft från mantisräkan. De uråldriga kräftdjuren är beväpnade med två hammarliknande rovdjursbihang som kallas daktylklubbor som de använder för att knulla och krossa sitt byte. Dessa nävar, kan accelerera från kroppen i över 50 mph, ge kraftfulla slag men verkar oskadade efteråt.

UCI-forskarna upptäckte att klubborna har en unikt designad nanopartikelbeläggning som absorberar och avleder energi. Resultaten, publiceras idag i Naturmaterial , har betydande konsekvenser för tekniska material i fordonsindustrin, flyg- och sportindustrin.

"Tänk på att slå en vägg ett par tusen gånger i de hastigheterna och inte bryta näven, sade David Kisailus, UCI professor i materialvetenskap och teknik, som har studerat mantisräkan i mer än ett decennium. "Det är ganska imponerande, och det fick oss att fundera på hur det här kunde bli."

Han och postdoktor Wei Huang använde transmissionselektron- och atomkraftmikroskopi för att undersöka nanoskalaarkitekturen och materialkomponenterna i klubbarnas ytskikt. De bestämde att nanopartiklarna är bikontinuerliga sfärer, gjord av sammanflätade organiska (protein och polysackarider) och oorganiska (kalciumfosfat) nanokristaller.

De 3-D oorganiska nanokristallerna är mesokristallina, i huvudsak staplade ihop som legobitar, med små orienteringsskillnader där de går samman. De kristallina gränssnitten är avgörande för ytskiktets motståndskraft, eftersom de spricker och går sönder under höghastighetspåverkan, minskar inträngningsdjupet med hälften.

"TEM med hög upplösning hjälpte oss verkligen att förstå dessa partiklar, hur de är uppbyggda och hur de reagerar under olika typer av stress, " sa Kisailus. "Vid relativt låga spänningshastigheter, partiklarna deformeras nästan som en marshmallow och återhämtar sig när stressen släpps."

Han noterade att beteendet hos strukturerna under kraftig påverkan är mycket annorlunda. "Partiklarna stelnar och spricker vid de nanokristallina gränssnitten, " sa Kisailus. "När du bryter något, du öppnar upp nya ytor som avleder betydande mängder energi."

Laget, som inkluderade forskare från Purdue University, Oxford Instruments och Bruker Corp., kunde också mäta och karakterisera beläggningens imponerande dämpningsförmåga.

"De styva oorganiska och mjuka organiska materialen i ett interpenetrerande nätverk ger imponerande dämpande egenskaper till beläggningen utan att kompromissa med styvheten. Det är en sällsynt kombination som överträffar de flesta metaller och teknisk keramik, sa Kisailus.

Han tillade att han nu fokuserar på att översätta dessa resultat till nya tillämpningar inom en mängd olika områden:"Vi kan föreställa oss sätt att konstruera liknande partiklar för att lägga till förbättrade skyddsytor för användning i bilar, flygplan, fotbollshjälmar och kroppsrustningar."