Pärlemor, även känd som pärlemor, är tuff, stark och lätt komponent i snäckskal. Den mikroskopiska strukturen i nacre visar trombocyter bundna av en mjukare matris för att bilda en komposit med egenskaper material forskare försöker efterlikna i syntetiska kompositer. En ny formel av forskare från Rice University syftar till att förenkla processen. Upphovsman:Wikipedia
Pärlemor, det iriserande lagret i skalen på några blötdjur, inspirerade en studie från Rice University som hjälper forskare och ingenjörer att bedöma den ultimata styrkan, styvhet och seghet i kompositmaterial för allt från nanoskalaelektronik till byggnader.
Risforskare Rouzbeh Shahsavari och Navid Sakhavand har skapat universella kartor som förutsäger egenskaperna hos naturliga och biomimetiska trombocyt-matriskompositer (som nacre, aka pärlemor) och syntetiska staplar (eller heterostrukturer) av material som grafen och bornitrid.
De sa att deras datorritade kartor är "dimensionslösa" och deras resultat kommer att fungera lika bra för material som är byggda med nanoskala block som för en tegelvägg, eller större.
"Det är det fina med detta tillvägagångssätt:Det kan skala till något mycket stort eller mycket litet, "sa Shahsavari, en biträdande professor i civil- och miljöteknik och materialvetenskap och teknik.
Forskningen dök upp den här veckan i Naturkommunikation .
Formeln bygger på fyra egenskaper hos de enskilda materialen som övervägs för en komposit:deras längd, ett förhållande baserat på deras respektive styvhet, deras plasticitet och hur de överlappar varandra.
Det är ingångarna, sa Sakhavand, en doktorand i Shahsavaris laboratorium. "Om du känner dem, du kan förutsäga stelheten, styrkan och segheten hos den slutliga kompositen. Vi kallar detta en universell karta eftersom alla dessa ingångsparametrar är relevanta för alla kompositer och deras strukturella egenskaper. "
Till materialforskare och ingenjörer, styvhet, seghet och styrka är tydliga, viktiga mekaniska egenskaper. Styrka är ett materials förmåga att hålla ihop när det sträcks eller komprimeras. Styvhet är hur väl ett material motstår deformation. Tuffhet är ett materials förmåga att absorbera energi före misslyckande.
Forskarnas designkartor visar hur materialhastigheten i alla tre kategorierna och var de överlappar varandra. Deras mål är att hjälpa ingenjörer att beräkna de ultimata kvaliteterna hos ett material och minska prov och fel.
Studien började när Shahsavari tog en närmare titt på arkitekturen i nacre, vilket maximerar både styrka och seghet, som vanligtvis ömsesidigt uteslutande egenskaper i konstruerade material. Under ett mikroskop, nacre ser ut som en välbyggd tegelvägg med överlappande trombocyter i olika längder som hålls samman av tunna lager av en elastisk biopolymer.
Risforskare Rouzbeh Shahsavari, vänster, och Navid Sakhavand har skapat universella kartor som förutsäger egenskaperna hos naturliga och biomimetiska trombocytmatriskompositer och syntetiska staplar av material som grafen och bornitrid. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
"Den har en mycket speciell struktur och egenskap:Den optimerar olika mekaniska egenskaper samtidigt." Sa Sakhavand.
Dock, att konstruera nacre-liknande kompositer har varit svårt hittills, "främst på grund av avsaknaden av en designkarta som kan avslöja de olika länkarna mellan strukturen, material och egenskaper hos nacre-liknande material, "Sa Shahsavari.
Han sa att arbetet är en viktig milstolpe mot en bättre förmåga att avkoda och replikera nacres arkitektur för lättvikt, högpresterande kompositer. Dessa kan gynna rymd-, bil- och byggindustrin, han sa.
En illustration av forskare från Rice University jämför egenskaperna hos sammansatta strukturer baserat på deras beräkningar. Forskarna har skapat en designkarta som förutspår styrkan, styvhet och seghet hos kompositer oavsett storlek. Kredit:Shahsavari Group/Rice University
Risforskarnas arbete sträckte sig över tre års beräkning och experiment som innebar att kartlägga egenskaperna hos naturliga kompositer som kollagen och spindelsilke samt syntetiska staplar som hexagonalt bornitrid/grafen och silumin/aluminiumoxid. De testade också sin teori i makroskala, 3D-tryckta kompositer av hårdplast och mjukt gummi som efterliknade de egenskaper de observerade i nacre.
En karta över 15 av de material som de testade visar att naturliga sådana som nacre tenderar att vara starka och hårda medan syntetmaterial lutar mot starka och styva. Shahsavari sa att han hoppas att materialforskare kommer att använda designkartorna för att ge sina kompositer den bästa möjliga kombinationen av alla tre egenskaperna.
