Naturen ger unika insikter i designstrategier som utvecklats av levande organismer för att konstruera robusta material. I detta fall, forskargruppen kunde skapa ett nytt slagtåligt material inspirerat av mantisräkans daktylklubba. Det nya materialet skulle kunna användas i applikationer som kräver att de tål upprepade stötar med hög töjningshastighet samtidigt som strukturell integritet bibehålls. Forskningsresultaten publicerades den 1 september 2021 i Avancerade material .

En forskargrupp vid VTT har lyckats designa och tillverka en mineraliserad biokomposit med hög hållfasthet, styvhet, och brottseghet som liknar den arkitektoniska utformningen av mantisräkans daktylklubba.

"Dessa fascinerande räkor är en av naturens dödligaste mördarmaskiner. I förhållande till sin lilla storlek, de slår den starkaste kraften i djurriket. De krossar sitt byte genom att kasta ett par hammarliknande rovdjursbihang med en enorm hastighet och kraft större än gevärskulor under jakt på nära håll, " förklarar Dr Pezhman Mohammadi, Forskare vid VTT. "Mantisräkans primära matkällor är marina organismer med hårda skal, som blötdjur. För att komma till det mjuka, näringsrika delar de utplånar rakt genom dessa mycket mineraliserade exoskelett."

Tidigare studier har visat att klubban är en flerfasig hierarkiskt ordnad nanokomposit med graderade mekaniska egenskaper. "Klubben har ett mjukt inre lager som ger energiavledning och en styv, hård, och slagtåligt yttre lager. Tillsammans, skikten förbättrar klubbens totala skadetolerans. Båda lagren har liknande byggstenar, men i olika relativa innehåll, polymorf form, och organisation. Den huvudsakliga byggstenen är spiralformigt ordnade kitin-nanofibriller som limmas ihop av en proteinrik matris, säger Mohammadi.

Kombinera cellulosa nanokristaller och proteiner

Forskargruppen replikerade denna struktur genom att använda liknande byggstenar och bearbetningsförhållanden. De satte ihop en ny komposit, som består av cellulosa nanokristaller och två typer av genetiskt modifierade proteiner. Ett protein designades för att öka gränsytstyrkan hos materialet och det andra för att mediera kärnbildning och tillväxt av hydroxiapatitkristaller. Denna nya komposit bearbetades till invecklade former genom att tillverka den till en tandimplantatkrona med periodiska mönster av mikroförstärkningsorientering, och en dubbelskiktsarkitektur som liknar mänskliga tänder. Med ytterligare utredning, proteinerna skulle kunna konstrueras för att ge materialet nya egenskaper.

För framtida ansökningar, materialets skalbarhet och bearbetningsvillkor behöver vidareutvecklas.