211service.com
Ceramika, która się nie rozbije
Ceramika jest lekka i twarda, ale nie da się z niej zrobić silników odrzutowych, bo roztrzaskają się jak talerze obiadowe. Dlatego naukowcy zajmujący się materiałami próbują naśladować naturalne materiały, które łączą wytrzymałość (miara odporności na odkształcenia) z wytrzymałością (miarą odporności na pękanie). W szczególności zwrócili uwagę na porowaty, ale sprężysty materiał zwany masą perłową, który wyściela muszle słuchotek. Teraz naukowcy opracowali metodę wytwarzania materiałów podobnych do masy perłowej w laboratorium. Te nowe materiały mają właściwości mechaniczne podobne do stopów metali i są najtwardszą ceramiką, jaką kiedykolwiek wykonano. Nowa metoda może utorować drogę do ceramicznych materiałów konstrukcyjnych do energooszczędnych budynków oraz lekkich, ale wytrzymałych ram samochodowych.
Biomimikra luzem: Naukowcy z Berkeley wykonali duże kawałki twardej ceramiki, podczas gdy inni naukowcy naśladujący twarde materiały naturalne byli w stanie wytwarzać tylko cienkie warstwy. Struktura twardej ceramiki naśladuje strukturę muszli słuchotek. Ten obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (na dole), wykonany podczas testu naprężeń, pokazuje jedno źródło wytrzymałości materiału: uszkodzenia są szeroko rozłożone w małych, zamkniętych pęknięciach.
Masa perłowa, znana również jako masa perłowa, łączy płyty mocnego, ale kruchego węglanu wapnia z miękkim klejem białkowym w strukturze cegieł i zaprawy, która jest 3000 razy twardsza niż którykolwiek ze składników. Zwykle, gdy naukowcy wytwarzają kompozyty w laboratorium, właściwości otrzymanych materiałów uśredniają właściwości ich składników. Kiedy natura tworzy kompozyty, właściwości są lepsze, mówi Robert Ritchie , przewodniczący Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który współprowadził badania nad ceramiką. Dzieje się tak, ponieważ kompozyty natury mają złożone struktury, które są trudne do naśladowania. Ludzie próbowali, ale nie mogą uzyskać tej finezji struktury, mówi Ritchie.
Naukowcy od lat próbują zaprojektować nowe materiały na bazie twardych materiałów naturalnych, takich jak masa perłowa i kość. Ceramika Berkeley naprawdę pokazuje, że czerpanie inspiracji z natury w celu syntezy lepszych materiałów może być bardzo skuteczne, mówi Julia Greer , materiałoznawca w CalTech.
Aby ukształtować swoją ceramikę w struktury podobne do masy perłowej, naukowcy z Berkeley najpierw tworzą wodną zawiesinę materiału, który ma być ukształtowany – w tym przypadku tlenku glinu. Następnie schładzają to w bardzo kontrolowany sposób. Z jednej strony usuwasz ciepło, wyjaśnia Ritchie. Prowadzi to do długich, cienkich struktur, które naukowcy wciskają w mikroskalowe, przypominające cegły struktury po podgrzaniu ich w celu odparowania wody. Powtarzając ten proces, tworzy warstwową, porowatą strukturę cegieł z tlenku glinu, połączonych ze sobą strukturami kolumnowymi – takimi samymi kształtami, jakie można znaleźć w naturalnej masie perłowej. Następnie, aby naśladować klej białkowy w skorupce uchowca, naukowcy wypełniają przestrzenie polimerem. Proces ten jest opisany online w czasopiśmie Nauka w tym tygodniu. Inne grupy wykonały cienkie filmy z materiałów biomimetycznych; grupie Berkeley udało się stworzyć duże kawałki.
Bez podbicia polimeru cegły byłyby kruche jak większość ceramiki. Ale polimer pozwala warstwom podobnym do cegieł ślizgać się po sobie pod naciskiem, dzięki czemu materiał jest odporny na pęknięcia. Rzeczywiście, ta ceglano-zaprawowa konstrukcja jest twardsza niż jakakolwiek ceramika kiedykolwiek wykonana w laboratorium. Mówi się, że wysoka wytrzymałość i wysoka wytrzymałość są zwykle niekompatybilne w ceramice Eric Stach , inżynier materiałowy na Purdue University, który nie był zaangażowany w pracę w Berkeley. Ale ceramika stworzona w Berkeley ma tyle samo wytrzymałości i twardości, co stopy aluminium, którymi można latać samolotami, mówi Stach.
Chociaż ostrzegają, że ceramika podobna do masy perłowej jest na wczesnym etapie rozwoju, naukowcy z Berkeley twierdzą, że materiały te powinny umożliwić zastosowanie ceramiki, która wydawała się nieosiągalna. Do wykonania ramy samochodu zamiast stali można użyć ceramiki i oszczędzić paliwo, mówi Ritchie. Antoni Tomsia, materiałoznawca w Lawrence Berkeley Laboratory, który współkierował badaniami, mówi, że twarda ceramika, która jest dobrym izolatorem, może spełniać podwójną rolę jako elementy konstrukcyjne w budynkach energooszczędnych. Mogą być również używane w lekkich kamizelkach kuloodpornych i opancerzeniu pojazdów dla wojska.
Zdaniem naukowców zajmujących się materiałami nowe prace wskazują drogę naprzód dla wytrzymałych materiałów biomimetycznych. Paweł Hansma , profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, uważa tę pracę za zadziwiającą i mówi, że wydajność nowej ceramiki podnosi poprzeczkę w tej ważnej dziedzinie.
Ritchie i Tomsia są przekonani, że mogą jeszcze ulepszyć ten materiał. Naturalna masa perłowa ma strukturę ceramiczną o rząd wielkości mniejszą niż w materiale Berkeley, a także wyższy stosunek cegły do zaprawy. Ritchie mówi, że grupa pracuje nad zmniejszeniem i zbliżeniem cegieł ceramicznych oraz zmniejszeniem zawartości polimeru. Eksperymentują też z różnymi zaprawami. Ponieważ nowo opracowana ceramika zawiera kleisty polimer, zawodziłaby w środowiskach o wysokiej temperaturze, takich jak wnętrze silnika. Dlatego naukowcy z Berkeley eksperymentują z wypełniaczami metalowymi, które mogą wytrzymać wyższe temperatury.