Onderzoeker kraakt het verborgen versterkingsmechanisme in biologisch keramiek

Ling Li, een assistent-professor in werktuigbouwkunde aan Virginia Tech, heeft inzichten gevonden in het bouwen van sterkere en hardere keramiek door de schelpen van tweekleppige weekdieren te bestuderen.

Dit perspectief wordt gevormd door te kijken naar het vermogen van de minerale basisbouwstenen in de schaal om breuken te anticiperen, in plaats van alleen te focussen op de vorm en chemie van de constructie. De resultaten van de bevindingen van zijn groep werden gepubliceerd in de uitgave van 10 november 2020 Nature Communications.

Li’s team voerde een diepgaande analyse uit van de microscopisch kleine structuren van de schelpen van weekdieren, tweekleppige dieren afkomstig uit het Caribisch gebied. De schelpen van deze dieren bestaan ​​uit twee lagen, een binnenlaag van parelmoer en een bruin gekleurde buitenlaag. De binnenste parelmoerlaag, ook wel parelmoer genoemd, is vaak iriserend vanwege de regelmatige nanoscopische laagjesstructuur, vergelijkbaar met het kleurmechanisme van veel flesvliegvleugels.

Li’s team richtte hun aandacht op de buitenste laag, die is samengesteld uit prismavormige calcietkristallen gerangschikt in een mozaïekpatroon. Tussen aangrenzende mineraalkristallen zijn zeer dunne (ongeveer 0,5 micrometer, minder dan een honderdste van de grootte van een mensenhaar) organische grensvlakken aanwezig die de kristallen aan elkaar lijmen. De calcietkristallen zijn ongeveer een halve millimeter lang en 50 micrometer in diameter en lijken op langwerpige prisma’s.

In tegenstelling tot veel geologische of synthetische kristallen, waar de atomen in hun kristallijne korrels perfect periodiek zijn gerangschikt, bevatten de calcietkristallen in de schalen van de pen vele nanoscopische defecten, voornamelijk samengesteld uit organische stoffen.

“Je kunt het biologische keramiek, in dit geval de calcietkristallen van de pennen, beschouwen als een composietstructuur, waar veel insluitsels van nanogrootte zijn verdeeld binnen de kristallijne structuur”, zei Li. “Dit is vooral opmerkelijk omdat het calcietkristal zelf nog steeds een eenkristal is.”

Normaal gesproken betekent de aanwezigheid van structurele defecten een mogelijke storing. Dit is de reden waarom de normale benadering is om de structurele discontinuïteiten of spanningsconcentraties in technische constructies te minimaliseren. Het team van Li laat echter zien dat de grootte, de afstand, de geometrie, de oriëntatie en de distributie van deze defecten op nanoschaal binnen het biomineraal sterk gecontroleerd worden, waardoor niet alleen de structurele sterkte maar ook de schadetolerantie door gecontroleerd scheuren en breken wordt verbeterd.

Wanneer deze schalen worden onderworpen aan een kracht van buitenaf, minimaliseert het kristal het meegeven van plastic door de dislocatiebeweging te belemmeren, een gebruikelijke modus voor plastische vervorming in puur calciet, geholpen door die interne nanoscopische defecten. Dit versterkingsmechanisme is toegepast in veel structurele metaallegeringen, zoals een aluminiumlegering.

Naast het toevoegen van sterkte, stelt dit ontwerp de structuur in staat om zijn scheurpatronen te gebruiken om schade aan de binnenschaal te minimaliseren. Het mozaïekachtige in elkaar grijpende patroon van de calcietkristallen in de prismalaag vertoont verder grootschalige schade wanneer de externe kracht over de afzonderlijke kristallen wordt verspreid. De structuur kan barsten om de externe ladingsenergie af te voeren zonder te falen.

“Het is duidelijk dat deze nanoscopische defecten geen willekeurige structuur zijn, maar in plaats daarvan een belangrijke rol spelen bij het beheersen van de mechanische eigenschappen van dit natuurlijke keramiek”, zei Li. “Door de mechanismen die in deze studie zijn ontdekt, verandert het organisme het oorspronkelijk zwakke en broze calciet echt in een sterk en duurzaam biologisch pantser. We experimenteren nu met mogelijke fabricageverwerking, zoals 3D-printen, om deze strategieën te implementeren om keramische composieten te ontwikkelen. met verbeterde mechanische eigenschappen voor structurele toepassingen. ”