Forskare från Monash University har upptäckt ett nytt designmotiv som härrör från den styva yttre täckningen av ryggradslösa djur som kan bidra till att skapa mer skadetoleranta material för framtida byggnader och konstruktioner.

I en artikel publicerad i Nature Communications , säger professor Wenhui Duan från Institutionen för byggnadsteknik vid Monash University att det nya mönstret, som lägger till de åtta kända och vanliga biologiska strukturella designmönstren, kan lägga till ett höghållfast motiv till vanliga byggmaterial som kompositer och cement, och kan hjälpa minska koldioxidutsläppen.

Cementindustrin är en av de största producenterna av koldioxid och skapar upp till 8 % av världens konstgjorda utsläpp av denna gas; denna upptäckt kommer att bidra till att minska användningen av cement genom att förbättra materialets skadetolerans.

Forskargruppen replikerade designmotivet i cementmaterial, ett av de mest konsumerade byggmaterialen i världen. De använde en 3D-utskriftsteknik kombinerad med nanoteknologi och artificiell intelligens för att tillverka en lätt cementkomposit som anammade detta segmentella designmotiv, vilket visar en överlägsen lastbärande förmåga och ett unikt progressivt felmönster.

"Vi demonstrerade tillämpningen av detta designmotiv för att producera ett höghållfast, skadetolerant lättviktscementmaterial. Dessutom kan detta designmotiv också appliceras på olika material som keramik, glas, polymera och metalliska material för avancerad materialdesign, energi lagring/konvertering och arkitektoniska strukturer, i samarbete med teamen från University of Queensland och University of Manchester", säger professor Duan.

Sedan 1972 upptäckten av den spiralformade strukturen, ett av de vanligaste strukturmönstren inom biologin, har det funnits en drivkraft att extrahera designmotiv från mer än 7 miljoner levande arter i världen för att underlätta tillverkningen av strukturerade/strukturella material.

Efter nästan 50 års forskning har anmärkningsvärda upprepningar bekräftats i de flesta klasser av arter, men endast åtta kategorier av designmotiv har någonsin extraherats och antagits i materialdesign, tills nu.

Den nya designstrukturen har identifierats i olika arter som exoskeletten hos leddjur, benen på däggdjur, amfibier och reptiler. Dessa designmotiv är värdefulla inspirationskällor för modern materialdesign och underlättar tillverkningen av konstruktionsmaterial.

"Jämfört med det nuvarande designmotivet avleder vårt segmentella designmotiv energin genom segmentrotation. Det fina med vårt upptäckta designmotiv är att materialet kan uppvisa ett unikt periodiskt progressivt misslyckande. Det betyder att vi kan begränsa skadan inom en viss region av material, medan resten av strukturen fortfarande kan bibehålla integriteten och det mesta (cirka 80 %) av bärförmågan." + Utforska vidare

Den avgörande rollen för funktionella motiv—mikrostrukturella enheter som styr materiella funktioner—i materialforskning