Breaking The Mold: Nature Inspires Tuggether Ceramics

{h1}

De zee-weekdierabalone inspireert taaier keramiek dat nog steeds hoge temperaturen aankan.

Dankzij een beetje inspiratie van de natuur, konden nieuwe keramiek worden gemaakt van materialen die ze sterker en harder maken, ontdekten onderzoekers.

De nieuwe keramiek is geïnspireerd op een materiaal dat parelmoer wordt genoemd, ook wel parelmoer genoemd. Nacre is veel sterker en taaier dan gewone keramiek en is afgeleid van het paarlemoer van de zeehond, een klein zeeschuim met enkele dop.

Kracht is niet hetzelfde als taaiheid. Kracht is het vermogen van een materiaal om een ​​belasting te weerstaan ​​zonder te breken, terwijl taaiheid het vermogen is om energie te absorberen.

Keramiek wordt vaak gebruikt om voorwerpen te laten onderwerpen aan hoge temperaturen, maar ze zijn ook broos - een keramische beker die van hoogte valt, verbrijzelt in plaats van deuken. Om keramiek harder te maken, combineren fabrikanten ze met andere materialen, zoals metalen of polymeren. Maar dergelijke composieten hebben vaak beperkt gebruik. Polymeren kunnen bijvoorbeeld de temperaturen hoger dan 572 graden Fahrenheit (300 graden Celsius) niet weerstaan, wat hun gebruik in motoren of ovens beperkt.

Van fragiel tot stoer

Kunstmatig gemaakt paarlemoer is daarentegen veel minder bros dan keramiek en is bestand tegen temperaturen tot maximaal 1,112 F (600 C), waardoor het geschikt is voor toepassingen met hoge spanning en hoge temperaturen.

In de natuur wordt parelmoer gevonden, zowel als de buitenste coating van parels en als een binnenlaag van de schaal van een weekdier. Calciumcarbonaat, dat 95 procent van het paarlemoer vormt, is intrinsiek kwetsbaar. Maar parelmoer is erg moeilijk. [Afbeeldingen: parelmoer onder de microscoop]

Deze taaiheid is te wijten aan de manier waarop het parelmoer is gebouwd. De zeeolielslak abalone gebruikt eiwitten om paarlemoer te creëren door calciumcarbonaat in een geometrisch patroon stapsgewijs te ontwikkelen. Het resultaat is vergelijkbaar met een stapel minuscule stenen, aan elkaar gelast met een "mortel" gemaakt van eiwitten.

In een dergelijk complex patroon zou een spleet een zeer complex pad moeten volgen om te groeien. Dientengevolge, is de shell ongelooflijk veerkrachtig.

Een groep wetenschappers, geleid door Sylvain Deville en samengesteld uit onderzoekers van het Franse Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), Université de Lyon, Ecole Normale de Lyon en keramiekproducent Saint-Gobain, besloten de structuur van parelmoer na te bootsen. Ze hebben hun studie gedetailleerd beschreven in een recent artikel dat op 23 maart is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

Ten eerste gebruikten de wetenschappers een algemeen keramisch poeder, alumina, samengesteld uit microscopische bloedplaatjes. Ze vermengden het met water, samen met enkele andere eenvoudige additieven, en goten het mengsel vervolgens in een vorm op een stuk gekoeld koper.

Door de lage temperatuur groeiden ijskristallen in het keramische mengsel en het ijs dwong de bloedplaatjes zichzelf te assembleren tot goed uitgelijnde stapels, zeer vergelijkbaar met de structuur van parelmoer.

Vervolgens moesten de onderzoekers deze stapels samenvoegen met iets soortgelijks als de eiwitten in paarlemoer.

Om deze "mortel" na te bootsen, voegden de onderzoekers kleine glasdeeltjes toe die de openingen tussen de bloedplaatjes vulden, met behulp van een proces dat verdamping onder hoge temperatuur heet. In deze stap werd het materiaal tegelijkertijd in een kleurstof geperst terwijl het werd verwarmd, waardoor de bloedplaatjes beter samenpakten terwijl kleine gesmolten glasdeeltjes de grenzen tussen de bloedplaatjes vulden.

"Deze glasachtige fase bootst de rol van eiwitten in parelmoer na en was een van de belangrijkste stappen om een ​​materiaal te produceren dat de eigenschappen van parelmoer nagebootst," zei Adam Stevenson van Saint-Gobain, een van de co-auteurs van de studie. [Biomimicry: 7 slimme technologieën geïnspireerd door de natuur]

In aanvulling op het feit dat het ongeveer 10 keer taaier is dan een conventioneel aluminiumoxide-keramiek, blijft het kunstmatige parelmoer nog taai, zelfs bij zinderende temperaturen tot 1,112 F, zei het team.

"In technische materialen is er altijd een wisselwerking geweest tussen kracht en robuustheid - sterke materialen zijn altijd ook erg fragiel geweest," vertelde Deville aan WordsSideKick.com. "Ons materiaal combineert de kracht van een goed ontworpen materiaal met de structuur van parelmoer die scheuren afdrijft om een ​​doorlopend pad door het materiaal te nemen.Het is dit omslachtige pad dat de materialen zowel sterk als sterk maakt."

Bio-geïnspireerde productie

Het productieproces kan ook op andere materialen worden toegepast, zei Deville. "Het vriesproces is een fysiek proces," zei hij. "Het wordt niet sterk beïnvloed door de chemie van het materiaal dat je gebruikt. Zo kan bijna elk poeder, zolang het in de vorm van bloedplaatjes is, zichzelf volgens hetzelfde proces assembleren."

Natuurkundige Andre Studart van ETH Zürich in Zwitserland, die niet betrokken was bij het onderzoek, zei dat "keramiek stoer en sterk maken op hetzelfde moment - zoals de auteurs hebben bereikt - een van de heilige graals is van materiaalwetenschappers."

Maar de methode heeft beperkingen. "Het grootste nadeel is dat het materiaal grotendeels anisotroop is", wat betekent dat het materiaal geen identieke eigenschappen in alle richtingen heeft, zei Studart. Hout is bijvoorbeeld gemakkelijker verticaal te splitsen dan horizontaal te zagen.

En 1.112 F is een "relatief bescheiden temperatuur, en het zal nodig zijn om de bedrijfstemperaturen hoger te drukken", zei Eduardo Saiz Gutierrez van Imperial College London in het Verenigd Koninkrijk, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Evenzo is het door de mens gemaakte nacre zwaar voor een keramiek, maar nog steeds niet zo zwaar als een metaal, vertelde Gutierrez aan WordsSideKick.com.

"Is er een manier om de structuur verder te manipuleren?" hij zei."Of, als we met vergelijkbare structuren spelen, wat de ideale materiaalcombinatie zal zijn?"

Volg ons @wordssidekick, en verder Facebook & Google+. Oorspronkelijk artikel over WordsSideKick.com,. Volg de auteur op Twitter @SciTech_Cat


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com