Niewiele materiałów kompozytowych wykuwanych przez naturę jest tak wytrzymałych jak masa perłowa, czyli nacre. Teraz naukowcy w końcu odkryli, w jaki sposób maleńkie warstwy tej perłowej substancji sprawiają, że jest ona tak wytrzymała.
Nacre można znaleźć na zewnętrznych powłokach pereł i wewnątrz niektórych muszli mięczaków, ale do tej pory naukowcy nie rozumieli, jak to działa w nanoskali, ponieważ ta powłoka jest bardzo odporna na naprężenia i odkształcenia.
Tajemnica twardości gąbki tkwi w sposobie, w jaki kafelkowa powierzchnia materiału blokuje się, gdy nacisk jest na nią wywierany, umożliwiając rozłożenie naprężeń. Kiedy powierzchnia nie jest już pod naciskiem, ponownie rozluźnia się w pojedyncze płytki.
To z kolei może nam pomóc w opracowaniu naszych własnych superwytrzymałych materiałów, czerpiąc inspirację z najlepszych materiałów, jakie natura ma do zaoferowania.
„To niesamowite, że mięczak, który nie jest najbardziej inteligentnym stworzeniem, wytwarza tak wiele struktur w tak wielu skalach”, mówi materiałoznawca Robert Hovden z Uniwersytetu Michigan.
„Wytwarza pojedyncze cząsteczki węglanu wapnia, układając je w nanowarstwowe arkusze, które są sklejone z materiałem organicznym, aż do struktury muszli, która łączy gąbkę z kilkoma innymi materiałami.”
W poprzednich pracach naukowcy zidentyfikowali już „ceglaną” strukturę gąbki – nanorozmiarowe tabletki aragonitu sklejone materiałem organicznym, wyglądające jak mur z cegieł, jeśli podejdzie się wystarczająco blisko.
To, co pokazują nowe badania, to reakcja pod ciśnieniem, uzyskana dzięki obserwacjom pod mikroskopem elektronowym. Zaprawa” odsuwa się na bok pod wpływem ciśnienia, a następnie powraca, gdy ciśnienie zostaje zmniejszone.
Co zaskakujące i niezwykłe, gors nie traci nic ze swojej odporności w tym procesie. Testy wykazały, że jej poziom odporności nie spadł, nawet przy powtarzających się uderzeniach o wartości do 80 procent jej granicy plastyczności.
Jeśli na powierzchni pojawi się pęknięcie, nacre jest w stanie odizolować nano-tabletkę, w której pojawia się pęknięcie, więc nie wpływa ono na resztę powierzchni.
W oświadczeniu prasowym, naukowcy uznają nacre za „najtwardszy materiał natury”. Oczywiście, to naprawdę zależy od tego, jak chcesz iść o pomiar powiedział „twardość”, na przykład, w skali Mohsa twardości, perła dostaje dość skromne oceny około 2,5, ale to tylko oznacza, że może być łatwo zarysowane z każdym twardszym minerału.
Jeśli mówimy o wytrzymałości materiału, istnieją inne aspekty – jak duży ciężar materiał może udźwignąć, jak duże ciśnienie może wytrzymać, i tak dalej – od zębów limety do jedwabiu pająka, istnieją inne naturalnie występujące materiały, które są niezmiernie silne; gors może wytrzymać naprawdę imponujące uderzenia mechaniczne, stąd jego reputacja twardości.
Teraz naukowcy stojący za badaniem chcą wykorzystać swoje odkrycia do opracowania silniejszych materiałów stworzonych przez człowieka – nie obliczonych za pomocą symulacji komputerowych lub algorytmów, ale zainspirowanych milionami lat naturalnej ewolucji.
„My, ludzie, możemy stworzyć twardsze materiały, wykorzystując nienaturalne środowiska, na przykład ekstremalne ciepło i ciśnienie”, mówi Hovden. „Ale nie możemy zreplikować rodzaju nanoinżynierii, jaką osiągnęły mięczaki.”
„Połączenie tych dwóch podejść mogłoby doprowadzić do spektakularnej nowej generacji materiałów, a ta praca jest krokiem w tym kierunku.”
Badania zostały opublikowane w Nature Communications.
.