Perłowa masa na ratunek światu
Zespół badaczy z Uniwersytetu Princeton dokonał niecodziennego odkrycia, przyglądając się muszlom ostryg. Sekret ich wytrzymałości tkwi w masie perłowej, czyli opalizującym materiale kompozytowym znajdującym się wewnątrz muszli. Choć na pierwszy rzut oka wydaje się kruchy, jego mikrostruktura skrywa niezwykłe właściwości mechaniczne. Ta masa perłowa zbudowana jest z mikroskopijnych, heksagonalnych płytek aragonitu połączonych biopolimerem działającym jak naturalny klej. Dzięki tej specyficznej strukturze materiał okazuje się być 3000 razy twardszy niż sam aragonit. Naukowców szczególnie zainteresował sposób, w jaki poszczególne elementy tej struktury przemieszczają się względem siebie pod obciążeniem.
Ta synergia między twardymi i miękkimi komponentami jest kluczowa dla niezwykłych właściwości mechanicznych perłowej masy – tłumaczy Shashank Gupta, współautor badań
Czytaj też: Ciemny tlen na dnie oceanu. Jego dziwna forma wywraca wiedzę o życiu i energii
Najbardziej zaskakujący w całym projekcie jest paradoks inżynieryjny. Badacze celowo wprowadzają mikrouszkodzenia w kruchych materiałach, aby zwiększyć ich wytrzymałość. Kluczowy mechanizm polega na kontrolowanym przemieszczaniu się płytek na poziomie nanometrycznym.
Innymi słowy, celowo projektujemy defekty w kruchych materiałach, aby uczynić je mocniejszymi dzięki projektowi – dodaje Reza Moini, główny autor badań
W testach laboratoryjnych cement wzorowany na perłowej masie pochłonął prawie 17 razy więcej energii do momentu pęknięcia niż tradycyjne próbki. Wykazał również 19-krotnie większą plastyczność przy zachowaniu porównywalnej wytrzymałości. Wyniki badań opublikowano w Advanced Functional Materials.
Biomimikra jako nowy kierunek
Mimo obiecujących wyników, droga do powszechnego zastosowania nowego cementu jest daleka. Głównym wyzwaniem pozostaje opracowanie stabilnych procesów produkcyjnych dla materiału o mikro-warstwowej strukturze. Kontrola zmiennych produkcyjnych na dużą skalę wymaga jeszcze wielu testów i udoskonaleń. Konieczne są również długoterminowe badania wydajności w różnych warunkach klimatycznych i typach konstrukcji. W ogólnym rozrachunku prace zespołu z Princeton wyznaczają nowy trend w inżynierii materiałowej. Zamiast koncentrować się wyłącznie na mieszaniu składników o coraz wyższej wytrzymałości, naukowcy zaczynają czerpać inspirację z rozwiązań wypracowanych przez naturę.
Czytaj też: Stan materii, w który nikt nie wierzył. Anomalny metal zachowuje się tak, jakby nie pochodził z tego świata
Bioinspirowane podejście polega nie na prostym naśladowaniu mikrostruktury natury, ale na uczeniu się z leżących u jej podstaw zasad i wykorzystywaniu tego do informowania o inżynierii materiałów stworzonych przez człowieka – podsumowuje Moini
Biomimikra jako dziedzina badań zyskuje na znaczeniu w różnych branżach. Od samoczyszczących powierzchni inspirowanych liśćmi lotosu, po materiały klejące wzorowane na łapkach gekonów. Jeśli nowa technologia znajdzie szerokie zastosowanie, może przyczynić się do realizacji celów zrównoważonego rozwoju, szczególnie w obszarach przemysłu i działań klimatycznych. Być może rzeczywiście zbliżamy się do momentu, kiedy zamiast walczyć z naturą, zaczniemy się od niej uczyć na poważnie – tworząc miasta w oparciu o jej najlepsze projekty?