Konstruerad rustning är utformad för att motstå penetration genom energispridning, men saknar ofta multi-hit-förmåga på grund av omfattande radiell sprickbildning. En ny naturlig biokeramisk rustning använder nanoskala -vänskap för att katalysera en hierarki av deformationsmekanismer, därigenom öka effektiviteten för energispridning, lokaliserar deformationen och förbättrar multi-hit-förmågan. Den unika hierarkiska designen av denna naturliga rustning ger inspiration för utvecklingen av förbättrade avancerade konstruktionsmaterial.
MIT -forskare avslöjar hemligheterna bakom en marin varels defensiva rustning - en som är exceptionellt tuff, men ändå optiskt klart.
Skal från en havsdjur, blötdjuret Placuna placenta , är inte bara exceptionellt hårda, men också tillräckligt tydlig för att läsa igenom. Nu, forskare vid MIT har analyserat dessa skal för att avgöra exakt varför de är så resistenta mot penetration och skador - även om de är 99 procent kalcit, en svag, sprött mineral.
Skalens unika egenskaper kommer från en specialiserad nanostruktur som möjliggör optisk klarhet, samt effektiv energispridning och förmågan att lokalisera deformation, fann forskarna. Resultaten publiceras i veckan i tidningen Naturmaterial , i en uppsats medförfattare av MIT-doktoranden Ling Li och professor Christine Ortiz.
Ortiz, Morris Cohen -professor i materialvetenskap och teknik (och MIT:s dekan för forskarutbildning), har länge analyserat de komplexa strukturerna och egenskaperna hos biologiska material som möjliga modeller för nya, ännu bättre syntetiska analoger.
Konstruerad keramikbaserad rustning, medan den är konstruerad för att motstå penetration, saknar ofta förmågan att motstå flera slag, på grund av storskalig deformation och fraktur som kan äventyra dess strukturella integritet, Ortiz säger. I transparenta rustningssystem, sådan deformation kan också dölja sikten.
Konstruerad rustning är utformad för att motstå penetration genom energispridning, men saknar ofta multi-hit-förmåga på grund av omfattande radiell sprickbildning. En ny naturlig biokeramisk rustning använder nanoskala -vänskap för att katalysera en hierarki av deformationsmekanismer, därigenom öka effektiviteten för energispridning, lokaliserar deformationen och förbättrar multi-hit-förmågan. Den unika hierarkiska designen av denna naturliga rustning ger inspiration för utvecklingen av förbättrade avancerade konstruktionsmaterial.
Varelser som har utvecklat naturliga exoskelett-många av dem keramikbaserade-har utvecklat geniala mönster som tål flera genomträngande attacker från rovdjur. Skal av några arter, Till exempel Placuna placenta , är också optiskt tydliga.
För att testa exakt hur skalen - som kombinerar kalcit med cirka 1 procent organiskt material - reagerar på penetration, forskarna utsatte prover för indragningstester, med en skarp diamantspets i en experimentell inställning som kan mäta laster exakt. De använde sedan analysmetoder med hög upplösning, såsom elektronmikroskopi och diffraktion, för att undersöka den resulterande skadan.
Konstruerad rustning är utformad för att motstå penetration genom energispridning, men saknar ofta multi-hit-förmåga på grund av omfattande radiell sprickbildning. En ny naturlig biokeramisk rustning använder nanoskala -vänskap för att katalysera en hierarki av deformationsmekanismer, därigenom öka effektiviteten för energispridning, lokaliserar deformationen och förbättrar multi-hit-förmågan. Den unika hierarkiska designen av denna naturliga rustning ger inspiration för utvecklingen av förbättrade avancerade konstruktionsmaterial.
Materialet isolerar initialt skador genom en process på atomnivå som kallas "twinning" i de enskilda keramiska byggstenarna:En del av kristallen förskjuter sin position på ett förutsägbart sätt, lämnar två regioner med samma orientering som tidigare, men med en portion förskjuten i förhållande till den andra. Denna vänskapsprocess sker överallt i den stressade regionen, hjälper till att bilda en slags gräns som hindrar skadan från att sprida sig utåt.
MIT-forskarna fann att vänskap sedan aktiverar "en rad ytterligare energispridningsmekanismer ... som bevarar den mekaniska och optiska integriteten hos det omgivande materialet, "Säger Li. Detta producerar ett material som är 10 gånger mer effektivt för att sprida energi än det rena mineralet, Tillägger Li.
Egenskaperna hos denna naturliga rustning gör den till en lovande mall för utveckling av bioinspirerade syntetmaterial för både kommersiella och militära applikationer-såsom ögon- och ansiktsskydd för soldater, fönster och vindrutor, och sprängsköldar, Ortiz säger.
