Vähän kaikki luonnon takomat komposiittimateriaalit ovat yhtä sitkeitä kuin helmiäinen. Nyt tutkijat ovat vihdoin saaneet selville, miten tämän helmiäismaisen aineen pienen pienet kerrokset tekevät siitä niin vahvan.
He löytävät helmiäistä ja joidenkin nilviäisten simpukankuorien sisäpuolelta, mutta tähän asti tutkijat eivät ole oikein ymmärtäneet, miten se toimii nanotasolla, sillä tämä pinnoite kestää erittäin hyvin rasitusta ja rasitusta.
Naakrin sitkeyden salaisuus piilee tavassa, jolla materiaalin laattamainen pinta lukkiutuu yhteen, kun siihen kohdistuu rasitusta, jolloin se pystyy levittämään rasitusta. Kun pintaan ei enää kohdistu painetta, se rentoutuu jälleen yksittäisiksi laatoiksi.
Tämä puolestaan voisi auttaa meitä kehittämään omia supervahvoja materiaaleja, kun otamme inspiraatiota parhaista materiaaleista, joita luonnolla on tarjota.
”On uskomatonta, että nilviäinen, joka ei ole kaikkein älykkäin olento, pystyy valmistamaan niin monia rakenteita niin monessa mittakaavassa”, sanoo materiaalitutkija Robert Hovden Michiganin yliopistosta.
”Se valmistaa yksittäisiä kalsiumkarbonaattimolekyylejä, järjestää ne nanokerroksisiksi levyiksi, jotka on liimattu yhteen orgaanisella materiaalilla, aina kuoren rakenteeseen asti, jossa yhdistyy helmiäistä ja useita muita materiaaleja.”
Tutkijat olivat jo aiemmissa töissään tunnistaneet helmiäisen ’tiilimuurirakenteen’ – orgaanisella materiaalilla yhteen liimattuja nanokokoisia aragoniittitabletteja, jotka näyttävät aivan tiiliseinältä, jos tarpeeksi lähelle pääsee.”
Uusi tutkimus osoittaa, että paineessa tapahtuva reaktio, joka on saatu elektronimikroskooppihavaintojen avulla. ”Laasti” puristuu syrjään paineen alaisena ja palaa sitten takaisin, kun paine hellittää.
Yllättävää ja epätavallista on, että helmiäinen ei menetä mitään vastustuskyvystään tässä prosessissa. Testit osoittivat, että sen kestävyystasot eivät laskeneet edes toistuvissa iskuissa, joiden voimakkuus oli jopa 80 prosenttia sen myötölujuudesta.
Jos pintaan syntyisi halkeama, helmiäinen kykenee eristämään nanopöydän, jossa halkeama syntyy, joten se ei vaikuta muuhun pintaan.
Lehdistötiedotteessa tutkijat pitävät helmiäistä ”luonnon kovimpana materiaalina”. Tämä riippuu tietysti siitä, miten kyseistä ”sitkeyttä” halutaan mitata; esimerkiksi Mohsin kovuusasteikolla helmi saa melko vaatimattoman arvosanan noin 2,5, mutta se tarkoittaa vain sitä, että sitä voi helposti naarmuttaa millä tahansa kovemmalla mineraalilla.
Jos puhutaan materiaalin lujuudesta, on olemassa muitakin näkökohtia – kuinka paljon painoa materiaali kestää, kuinka paljon painetta se kestää ja niin edelleen – nilviäishampaista hämähäkin silkkeihin on muitakin luonnossa esiintyviä materiaaleja, jotka ovat äärettömän vahvoja; helmiäislakka kestää todella vaikuttavia mekaanisia iskuja, joten se ansaitsee maineensa sitkeyden puolesta.
Nyt tutkimuksen takana olevat tutkijat haluavat käyttää havaintojaan vahvempien ihmisen valmistamien materiaalien kehittämiseen – ei laskettuna tietokonesimulaatioiden tai algoritmien avulla, vaan miljoonia vuosia kestäneen luonnollisen evoluution innoittamina.
”Me ihmiset voimme valmistaa kovempia materiaaleja käyttämällä luonnottomia ympäristöjä, esimerkiksi äärimmäistä kuumuutta ja painetta”, Hovden sanoo. ”Mutta emme voi toistaa sellaista nanotekniikkaa, jonka nilviäiset ovat saavuttaneet.”
”Näiden kahden lähestymistavan yhdistäminen voisi johtaa uuden sukupolven näyttäviin materiaaleihin, ja tämä artikkeli on askel tähän suuntaan.”
Tutkimus on julkaistu Nature Communications -lehdessä.
Tutkimus on julkaistu Nature Communications -lehdessä.