Impactbestendig materiaal bootst Mantis Garnalen-exoskelet na voor verbeterde bescherming

Enkele van de meest innovatieve en nuttige uitvindingen zijn geïnspireerd door de natuur. Neem de Shinkansen -bullet -trein in Japan, wiens aerodynamisch ontwerp is gemodelleerd naar de kingfisher -vogel. Of klittenband, die een Zwitserse ingenieur uitvond na het observeren dat de bramen die vasthouden aan de vacht van een hond kleine haken bevatten.

Nu hebben wetenschappers zich voor inspiratie gewend tot een klein roofdier onder water. De Mantis -garnalen is een kleurrijke ongewervelde dieren die een krachtige punch inpakt. Het kan clamshells kraken met de kracht van een .22 kaliber -kogel, dankzij unieke structuren die het exoskelet verrassend sterk maken.

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben synthetische versies van deze structuren gemaakt en hun impactprestaties getest door microprojectielen op hen te schieten. Ze ontdekten dat het aanpassen van specifieke parameters van de structuren veranderde hoe ze de impactsenergie absorbeerden en afgevoerd.

“De resultaten en inzichten van dit onderzoek markeren een belangrijke vooruitgang in bio -geïnspireerd materiaalontwerp met toepassingen voor ruimtevaart, zoals het helpen van ruimtevaartuig om de impact van micrometeoroïden te overleven en om een ​​baan satellieten te beschermen die in botsing komen met puin,” zei NIST -onderzoeksingenieur van Materialen Edwin Chan.

Andere potentiële toepassingen zijn beter kogelbestendig glas, explosiebestendige bouwmaterialen en meer beschermende helmen. Chan en zijn collega’s gepubliceerd hun bevindingen in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Dit onderzoeksidee kwam van Sujin Lee, die naar NIST kwam als een National Research Council (NRC) Postdoctoral Fellow. Lee wilde begrijpen waarom het aanhangsel van de Mantis -garnalen niet brak, omdat het de schelpen van andere wezens sloeg. Chan was ook geïntrigeerd door dit concept en de twee ontwikkelden een onderzoeksproject om erachter te komen.

“Wanneer een persoon iemand slaat, doet zijn hand pijn, maar met een beursgarnalen, niet,” zei Chan. Of het lijkt in ieder geval niet. Lee en Chan wisten al dat dit gerelateerd was aan microscopische “bouligandstructuren” in het exoskelet van de garnalen.

“Bouligand -structuren zijn een universeel materiaalplatform voor impactweerstand in de natuur, en we wilden er meer over leren, dus hebben we ze geproduceerd en getest in het lab,” zei Chan.

Lee en Chan synthetiseerden de structuren van cellulose -nanokristallen, die worden aangetroffen in plantenvezels. De nanokristallen zijn zelf geassembleerd in platen die op elkaar liggen als roterende stapels multiplex.

Die stapels vormden hun synthetische bouligandstructuren. Onderzoekers hebben vervolgens de kristallen aangepast met behulp van hoogfrequente geluidsgolven voordat ze ze in dunne films samenstellen die als hun testmateriaal dienden.

Vervolgens testten ze de impactweerstand van de dunne films door microprojectielen op hen af ​​te vuren met snelheden tot 600 meter per seconde. De microprojectielen, gemaakt van silica, werden door een laser met een hoge intensiteit naar hun doel gedreven. De onderzoekers namen afbeeldingen op van de microprojectielen die de dunne films beïnvloeden met een ultrasnelle camera.

Op basis van die afbeeldingen merkten de onderzoekers op dat een micro -voegenile een permanente inspringing kan achterlaten en tegelijkertijd terug stuitert als een tennisbal die de grond raakt. De mate van inspringing en de hoeveelheid bounce-back hing af van hoe de energie verdween of zich verspreidden in schokgolven na de impact van het micro-project.

De onderzoekers ontdekten dat ze konden aanpassen hoe de energie verdween door verschillende factoren te verfijnen die de mechanische eigenschappen van het monster beïnvloedden, zoals het dikker maken van de nanokristallen of het veranderen van hun dichtheid. Ze ontdekten dat de microprojectielen permanente inkepingen achterlieten in de dunnere films, maar de dikkere films blonken uit in het omleiden van de schokgolven van de impact.

NIST werkte aan dit project als onderdeel van haar missie om geavanceerde meetmethoden te ontwikkelen die nuttig kunnen zijn voor de Amerikaanse industrie. Onderzoekers kunnen de meetmethoden gebruiken die voor dit project zijn ontwikkeld om impactbestendige materialen verder te ontwikkelen op basis van bouligandstructuren en andere soorten geavanceerde materialen met speciale eigenschappen.

“Deze bevindingen suggereren dat er verschillende manieren zijn om materialen te ontwerpen om impact te absorberen, en we kunnen deze kennis gebruiken om meer veerkrachtige en langdurige materialen te creëren,” zei Chan. “Als je een bokser in de ring bent, wil je negen rondes vechten, niet slechts één.”