Новости химической науки > Устрицы помогут создать бронестекла

Тщательно структурированная прозрачная раковина устриц некоторых видов рассеивает энергию удара в небольшой области, обеспечивая то, что тело моллюска остается защищенным. Исследователи планируют использовать результаты исследования механических свойств прозрачных раковин моллюсков для разработки защитных стекол.

Панцирю необходимо рассеять энергию удара таким образом, чтобы не образовалась пробоина при локализации любых повреждений и основная часть защиты не подвергалась опасности, а раковина моллюска могла бы выдержать большее число ударов. Это особенно непросто для прозрачного панциря, поскольку трещины рассеивают свет, что приводит к тому, что панцирь становится непрозрачным.

На сегодняшний день армирование керамики и стекла обычно включает в себя введение в материал простой диафрагмы, которая рассеивает энергию за счет образования микротрещин по всей площади материалу.

Кристина Ортиц (Christine Ortiz) из Массачусетского технологического института в США возглавляющая новую работу, говорит, что такой тип армирования лобовых стекол автомобилей помогает остановить пулю, но в тоже время это значительно нарушает видимость.

Живые создания эволюционировали различными способами, чтобы иметь возможность ограничить и локализовать разрушения, которые их защита мог бы выдержать. Поэтому исследовательская группа Ортиц при сотрудничестве с Министерством обороны США направилась в Смитсоновский институт в Вашингтоне в поисках видов моллюсков с прозрачной раковиной.

Структура раковины позволяет рассеять ударную энергию, локализовав разрушения. (Рисунок из Nat. Mater., 2014, DOI: 10.1038/nmat3920)

В своем новом исследовании Ортиц со студентом Лин Ли (Ling Li) изучали полупрозрачный панцирь двустворчатого морского моллюска Placuna placenta, обычно известного как стеклянная устрица. Раковина этого организма состоит из нанокристаллов монокристаллического кальцита, расположенных в виде черепичного рисунка с незначительным количеством органического материала в зонах соприкосновения нанокристаллов. Исследователи решили выяснить, наделяет ли прозрачность панциря устрицу каким-то преимуществом в плане защиты, то ли это случайная особенность.

Исследователи сделали отпечаток кристаллов химически чистого кальцита и ракушки устрицы с помощью алмазного острия и сравнили полученные отклики. Монокристаллический кальцит образует трещины, распространяющиеся в материале радиально, в то время как раковина P. Placenta образует симметричные «деформационные двойники», распространяющиеся горизонтально по плоскости сдвига в нанокристаллах, а органические вкрапления останавливают распространение трещин.

Такие деформационные двойники не только рассеивают энергию, но когда прикладывается большая сила, и в кристаллах образуется большее количество трещин, они изменяют направление трещин и препятствуют полному разламыванию, позволяя каждому кристаллу рассеивать больше энергии и защищать близлежащую структуру. В целом, двустворчатая раковина может поглотить почти в 10 раз больше энергии на единицу объема, чем монокристаллический кальцит.

Биоминералог и кристаллограф Алехандро Родригез-Наварро (Alejandro Rodrìguez-Navarro) из Университета Гранады в Испании говорит, что исследователи и прежде изучали схожие раковины моллюсков, но представленная работа является действительно уникальной в определенном смысле, поскольку исследователи очень хорошо объясняют ударопрочные механизмы этих керамических материалов с помощью ряда энергетически рассеивающих явлений.

В дальнейших планах ученых исследовать синтетические версии таких прозрачных биоматериалов. Ортиц говорит, что ее исследовательская группа рассматривает все разнообразие полупрозрачных материалов и создает библиотеку образцов. Исследовательская группа Ортиц собирается исследовать эти образцы, а также синтетические аналоги природных систем, отпечатанных с помощью 3D-принтера. В перспективе исследователи не намерены использовать на практике те же самые минералы, что и живые существа, вместо этого они попытаются изменить природный дизайн и получить еще более прочные материалы.

Источник: Nat. Mater., 2014, DOI: 10.1038/nmat3920

метки статьи: #биохимия, #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #химия полимеров, #химия твердого тела