Bryde Støbeformen: Natur Inspirerer Stærkere Keramik

{h1}

Den marine mollusk abalone inspirerer hårdere keramik, der stadig kan håndtere høj varme.

Takket være en lille inspiration fra naturen kunne nye keramikker laves af materialer, der gør dem stærkere og hårdere, har forskere opdaget.

Den nye keramik er inspireret af et materiale kaldet nacre, også kendt som perlemor. Nacre er meget stærkere og hårdere end almindelig keramik og er afledt af nacre af abalone, en lille, enkeltskallet marine mollusk.

Styrken er ikke den samme som sejhed. Styrken er et materiales evne til at modstå en belastning uden brud, mens sejhed er evnen til at absorbere energi.

Keramik bruges ofte til at gøre genstande udsat for høje temperaturer, men de er også sprøde - et keramisk bæger, der falder fra højden, knuser i stedet for bukser. For at hærge keramik kombinerer producenterne dem med andre materialer, såsom metaller eller polymerer. Men sådanne kompositter har ofte begrænset anvendelse. Polymerer kan f.eks. Ikke modstå temperaturer højere end 572 grader Fahrenheit (300 grader Celsius), hvilket begrænser deres anvendelse i motorer eller ovne.

Fra skrøbelig til hård

Kunstigt skabt nacre er derimod meget mindre skør end keramik og kan modstå temperaturer på op til 1.112 F (600 C), hvilket gør det nyttigt til højspændings- og høj temperatur applikationer.

I naturen findes nacre både som den ydre belægning af perler og som et indre lag af en bløddyrs skal. Calciumcarbonat, som udgør 95 procent af nacre, er iboende skrøbelig. Men nacre er meget hård. [Billeder: Moder af perle under mikroskopet]

Denne sejhed skyldes den måde, hvorpå nacre er bygget. Den abalone marine snegle bruger proteiner til at skabe perlemor ved gradvist at udvikle calciumcarbonat i et geometrisk mønster. Resultatet ligner en stak af små mursten, svejset sammen med en "mørtel" lavet af proteiner.

I et så komplekst mønster skal en revne følge en meget kompleks sti til at vokse. Som et resultat er skallen utroligt modstandsdygtig.

En gruppe forskere, ledet af Sylvain Deville og sammensat af forskere fra det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS), Université de Lyon, Ecole Normale de Lyon og keramikproducenten Saint-Gobain, besluttede at efterligne strukturen af ​​nacre. De detaljerede deres undersøgelse i et nyligt udgivet papir 23. marts i tidsskriftet Nature Materials.

For det første brugte forskerne et fælles keramisk pulver, aluminiumoxid, sammensat af mikroskopiske blodplader. De blandede det med vand sammen med nogle andre enkle tilsætningsstoffer og hældte derefter blandingen i en form på et stykke kølet kobber.

Den lave temperatur forårsagede iskrystaller til at vokse ind i den keramiske blanding, og isen tvunget blodpladerne til at samle sig i veljusterede stakke, meget ligner strukturen af ​​nacre.

Derefter måtte forskerne binde disse stakke sammen med noget svarende til proteinerne i nacre.

For at efterligne denne "mørtel" tilføjede forskerne små glaspartikler, der fyldte hullerne mellem blodpladerne, ved hjælp af en proces kaldet højtemperaturtæthed. I dette trin blev materialet presset i et farvestof samtidig med at det blev opvarmet, hvilket fik blodpladerne til bedre at pakke sammen, mens små smeltede glaspartikler fyldte grænserne mellem blodpladerne.

"Denne glasagtige fase efterligner proteinernes rolle i perlemor og var et af de vigtigste skridt til at fremstille et materiale, der efterlignede nacres egenskaber", siger Adam Stevenson fra Saint-Gobain, en af ​​medforfatterne af Studiet. [Biomimicry: 7 Clever Technologies Inspireret af Nature]

Ud over at være omkring 10 gange hårdere end en konventionel aluminiumoxid keramik, forbliver den kunstige nacre hård selv ved sizzling temperaturer på op til 1.112 F, sagde holdet.

"I konstruerede materialer har der altid været en afvejning mellem styrke og sejhed - stærke materialer har altid været meget skrøbelige," sagde Deville til WordsSideKick.com. "Vores materiale kombinerer styrken af ​​et velkonstrueret materiale med strukturen af ​​nacre, der tvinger revner til at tage en kredsløbende vej gennem materialet. Det er denne kredsløbende vej, der gør materialerne tunge såvel som stærke."

Bio-inspireret produktion

Fremstillingsprocessen kan også anvendes på andre materialer, sagde Deville. "Fryseprocessen er en fysisk proces," sagde han. "Det er ikke stærkt påvirket af kemi af det materiale, du bruger. Således kan næsten ethvert pulver, så længe det er i form af blodplader, selvmontere via samme proces."

Fysikist Andre Studart af ETH Zürich i Schweiz, som ikke var involveret i forskningen, sagde, at "at gøre keramik hårdt og stærkt på samme tid - som forfatterne har opnået - er en af ​​de hellige grene af materialevidenskabsmænd."

Men metoden har begrænsninger. "Den største ulempe er, at materialet er stort set anisotropisk," hvilket betyder, at materialet ikke har identiske egenskaber i alle retninger, siger Studart. For eksempel er træ lettere at splitte lodret end at skære vandret.

Og 1.112 F er en "relativt beskeden temperatur, og det vil være nødvendigt at skubbe driftstemperaturerne højere", sagde Eduardo Saiz Gutierrez fra Imperial College London i Det Forenede Kongerige, som ikke var involveret i forskningen.

På samme måde er den menneskeskabte nacre hård for en keramik, men stadig ikke så hård som et metal, fortalte Gutierrez WordsSideKick.com.

"Er der mulighed for at manipulere strukturen yderligere?" han sagde."Eller hvis vi leger med lignende strukturer, hvilket vil være den ideelle materialekombination?"

Følg os @wordssidekick, og på Facebook & Google+. Originalartikel om WordsSideKick.com,. Følg forfatteren på Twitter @SciTech_Cat


Video Supplement: .




Forskning


Hvordan Fidget Spinners Arbejde: Det Handler Om Fysikken
Hvordan Fidget Spinners Arbejde: Det Handler Om Fysikken

Robot Surgeon Fjerner Hjerne Tumor
Robot Surgeon Fjerner Hjerne Tumor

Videnskab Nyheder


540.000 År Gamle Skulpturer Kan Være Menneskelig Forfædres Ældste Kunst
540.000 År Gamle Skulpturer Kan Være Menneskelig Forfædres Ældste Kunst

Er Triceratops En Eller Tre Arter? Debat Fortsætter
Er Triceratops En Eller Tre Arter? Debat Fortsætter

Apple Watch Credited Med Spare Life: Hvilke Forhold Kan Det Opdage?
Apple Watch Credited Med Spare Life: Hvilke Forhold Kan Det Opdage?

Hermetisk Øl Vender 75
Hermetisk Øl Vender 75

Babyer Har Sympati For Bully Ofre, Undersøgelse Foreslår
Babyer Har Sympati For Bully Ofre, Undersøgelse Foreslår


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com