Bouligandstrukturer, som finns i naturliga material som fiskfjäll, hummerbukhinna och ben, är kända för att ge exceptionella mekaniska egenskaper till biomaterial. Även om framsteg har gjorts med att skapa bioinspirerade material, har den mesta forskningen fokuserat på att sätta ihop fibrerna. En djupare förståelse för hur fibrerna samverkar för att förbättra de mekaniska funktionerna behövs nu.
Ett forskarlag ledd av akademikern Yu Shuhong från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) har introducerat en bioinspirerad Bouligand-struktur med ett hierarkiskt och omkonfigurerbart interfibröst gränssnitt som avsevärt ökar mekanisk styrka och seghet genom dynamisk lastöverföring och energiavledning, som erbjuder en ny strategi för att skapa avancerade konstruktionsmaterial.
Uppsatsen är publicerad i tidskriften Science Advances .
Teamet hade från början använt bakteriella cellulosa nanofibrer som modellmatris men kämpade för att förstå hur nanofiberorientering påverkade mikromekaniskt beteende. För att ta itu med detta problem genomförde de storskaliga simuleringar av molekylär dynamik med olika orienteringsvinklar.
Resultaten visade att optimering av vätebindningsnätverkets dimension genom tvärbindande strukturer förbättrade lastöverföringskapaciteten och motståndskraften mot skador.
Dessutom observerade teamet att alltför stora orienteringsvinklar försvagade lastöverföringseffektiviteten och vätebindningstätheten mellan kedjorna, vilket resulterade i minskade mekaniska egenskaper. Detta underströk vikten av måttlig ordning och reda för optimal gränssnittsinteraktion.
Måttlig ordning och reda integrerad mikrostruktur och vätebindning, överträffar hög strukturell ordning på grund av avvägningar mellan strukturell orientering, fibersammankopplingar och vätebindande nätverksdimensioner.
Dessutom identifierade teamet en stor skuggzon runt sprickor och avslöjade mikrorörelse av nanofiberprimitiver. Korspolariserande ljus användes för att övervaka denna mikrorörelse i membranskiktet, vilket möjliggör framställning av bioinspirerade Bouligand-strukturmaterial med flerskalakoppling genom spiralformad stapling och varmpressförtätning.
USTC:s bioinspirerade Bouligand-struktur som möjliggörs av måttlig ordning och reda uppvisar enastående mekaniska egenskaper och dimensionsstabilitet, och kan ha tillämpningar inom biomedicinska områden som reparation och ersättning av fibrobroskvävnad.
Mer information: Si-Ming Chen et al, Hierarkiskt och omkonfigurerbart interfibröst gränssnitt av bioinspirerad bouligandstruktur som möjliggörs av måttlig ordning och reda, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl1884
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Science and Technology i Kina
