Bioinspiroidut materiaalit kestävät iskun

Jotkut innovatiivisimmista ja hyödyllisimmistä keksinnöistä ovat saaneet inspiraationsa luonnosta.

Nyt tiedemiehet ovat hakeneet inspiraatiota pienestä vedenalaisesta petoeläimestä. Rukoilijasirkka on värikäs selkärangaton, jolla on voimakas isku. Se voi rikkoa simpukankuoria kaliiperin .22 luodin voimalla ainutlaatuisten rakenteidensa ansiosta, jotka tekevät sen tukirangasta yllättävän vahvan.

Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) tutkijat ovat valmistaneet näistä rakenteista synteettisiä versioita ja testanneet niiden iskukykyä ampumalla niitä mikroammuksilla. He havaitsivat, että rakenteiden tiettyjen parametrien säätäminen muutti sitä, miten ne absorboivat ja haihduttavat iskuenergiaa.

”Tämän tutkimuksen tulokset ja oivallukset merkitsevät tärkeää edistysaskelta bioinspiroituneiden materiaalien suunnittelussa ja sen sovelluksissa ilmailu- ja avaruusalalla, kuten avaruusalusten auttamisessa selviytymään mikrometeoroidien törmäyksistä ja kiertorataa kiertävien satelliittien suojaamisessa törmätessään roskiin”, sanoo NIST:n materiaalitutkimusinsinööri Edwin Chan.

Muita mahdollisia sovelluksia ovat parempi luodinkestävä lasi, räjähdyssuojatut rakennusmateriaalit ja suojakypärät.

Tutkimusidea aiheeseen tuli Sujin Leeltä, joka tuli NIST:iin postdoc-tutkijana. Lee halusi ymmärtää, miksi rukoilijasirkkaravun uloke ei katkennut sen murskatessa muiden olentojen kuoria. Myös Chan oli kiinnostunut tästä konseptista, ja he kehittivät tutkimusprojektin selvittääkseen asian.

Lee ja Chan syntetisoivat tarvittavat rakenteet kasvikuiduissa esiintyvistä selluloosan nanokiteistä. Nanokiteet kokoontuivat itsestään levyiksi, jotka kerrostuivat päällekkäin ja muodostivat synteettiset Bouligand-rakenteet.

Seuraavaksi he testasivat ohutkalvojen iskunkestävyyttä ampumalla niihin mikroammuksia jopa 600 metrin sekuntinopeudella ja kuvasivat osumia ultranopealla kameralla.

Tutkijat havaitsivat, että he pystyivät säätämään energian haihtumista hienosäätämällä useita näytteen mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä, kuten tekemällä nanokiteistä paksumpia tai muuttamalla niiden tiheyttä. He havaitsivat, että mikroprojektiilit jättivät pysyviä painaumia ohuempiin kalvoihin, mutta paksummat kalvot olivat erinomaisia ​​iskun aiheuttamien paineaaltojen uudelleenohjaamisessa.

”Nämä löydökset viittaavat siihen, että materiaaleja voidaan suunnitella vaimentamaan iskuja eri tavoilla, ja voimme käyttää tätä tietoa luodaksemme kestävämpiä ja pitkäikäisempiä materiaaleja”, Chan sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Uusi idea lämpötilansäädössä: Adaptiivinen optoelektroniikka

Sirkkakatkaravut mallina konenäölle

Lehtipihan hyönteinen inspiroi näkymättömyysrakenteita