Рыбья броня: жесткая и гибкая
Люди черпали технологическое вдохновение из рыбьей чешуи, восходящей к древним временам: римляне, египтяне и другие цивилизации одевали своих воинов в чешуйчатые доспехи, обеспечивая защиту и мобильность. Теперь, используя передовые методы рентгеновской визуализации, ученые Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) охарактеризовали чешую карпа вплоть до наноразмеров, что позволяет им понять, насколько материал устойчив к проникновению, сохраняя при этом гибкость, по информации сайта ascania-nova.org.
Исследователи использовали мощные рентгеновские лучи в усовершенствованном источнике света (ALS) лаборатории Беркли, чтобы наблюдать, как волокна в чешуе карпа реагируют на воздействие напряжения. Как они написали в своей статье, опубликованной недавно в журнале Matter , то, что они обнаружили, «вполне может дать дополнительное вдохновение для разработки современных синтетических конструкционных материалов с беспрецедентной прочностью и стойкостью к проникновению».
«Структура биологических материалов абсолютно восхитительна», - сказал ведущий автор Роберт Ричи из Отдела материаловедения лаборатории Беркли, который возглавлял эту работу вместе с Марком Мейерсом, профессором наноинженерии и машиностроения в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «Нам нравится имитировать эти свойства в технических материалах, но первый шаг - посмотреть, как это делает природа».
Рыбья чешуя имеет твердую внешнюю оболочку с более мягким внутренним слоем, жестким и пластичным. Когда что-то вроде зубов хищника пытается утонуть в чешуе, наружная оболочка сопротивляется проникновению, но внутренняя должна поглощать всю избыточную нагрузку, чтобы держать чешую в целости и сохранности. Как оно работает? Оказывается, что волокна в масштабе, который составлен из коллагена плюс полезные ископаемые, находятся в искривленной ориентации, названной структурой Bouligand. Когда к материалу прикладывают напряжение, волокна вращаются последовательно, чтобы поглотить избыточную нагрузку.
«Это называется адаптивной переориентацией. Это как умный материал», - сказал Ричи, который также является профессором материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Используя технику, называемую малоугловым рассеянием рентгеновских лучей, мы можем следить за этим в режиме реального времени, используя синхротрон. Мы облучаем его рентгеновскими лучами, и мы действительно можем видеть, как волокна вращаются и движутся».
Коллаген, из которого состоит человеческая кожа, с другой стороны, «все испорчено, как миска спагетти, но он может распутываться и выравниваться для поглощения энергии, что делает кожу невероятно устойчивой к разрывам», - сказал Ричи. Структура Bouligand в масштабе карпа намного более организована, но все еще создает очень эффективный механизм ужесточения.
Другой заслуживающей внимания характеристикой чешуи карпа является градиент между твердым и мягким слоями. «Если бы мы делали это в качестве доспехов, у нас был бы интерфейс между твердым и мягким материалом. Интерфейс неизменно является местом, где начинаются трещины и разрушения», - говорит Ричи, эксперт в области разрушения материалов. «Способ, которым природа делает это: вместо того, чтобы иметь эти границы раздела, где есть разрыв между одним материалом и другим, природа делает идеальный градиент от твердого к мягкому (более жесткому) материалу».
Работая в сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего, команда ранее изучала арапайму, амазонскую пресноводную рыбу, чешуя которой настолько жесткая, что она непроницаема для пираньи, а также других видов. Для этого исследования они выбрали карпа, современную версию древней кишечной рыбы, также известной наличием чешуек, которые действуют как доспехи.
Теперь, когда механизмы деформации и разрушения карповых чешуек были охарактеризованы, попытка воспроизвести эти свойства в инженерном материале является следующей проблемой. Ричи отметил, что достижения в 3D-печати могут обеспечить способ создания градиентов, как это делает природа, и, таким образом, сделать материал как твердым, так и пластичным.
«Как только мы получим больше информации о том, как манипулировать 3D-печатью, мы сможем начать создавать больше материалов с изображением природы», - сказал он.
ALS - это пользовательское учреждение Министерства энергетики Министерства энергетики США. Исследование было поддержано грантом Управления научных исследований ВВС.
Предыдущая статья Следущая статья
Вернуться
