211service.com
Keramiek dat niet versplintert
Keramiek is licht en hard, maar je kunt er geen straalmotoren van maken omdat ze zouden breken als borden. Materiaalwetenschappers hebben dus geprobeerd natuurlijke materialen na te bootsen die sterkte (een maat voor weerstand tegen vervorming) combineren met taaiheid (een maat voor weerstand tegen breuk). In het bijzonder hebben ze gekeken naar het poreuze maar veerkrachtige materiaal genaamd parelmoer dat abalone schelpen omlijnt. Nu hebben onderzoekers een methode ontwikkeld om in het laboratorium parelmoerachtige materialen te maken. Deze nieuwe materialen hebben mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met metaallegeringen en zijn de sterkste keramiek ooit gemaakt. De nieuwe methode zou de weg kunnen banen naar keramische constructiematerialen voor energiezuinige gebouwen en lichtgewicht maar veerkrachtige autoframes.
Biomimicry in bulk: De onderzoekers van Berkeley maakten grote stukken van het taaie keramiek, terwijl andere wetenschappers die taaie natuurlijke materialen nabootsten, alleen maar dunne films konden maken. De structuur van een stevige keramiek bootst die van abalone schelpen na. Deze scanning-elektronenmicroscoopafbeelding (onder), genomen tijdens een stresstest, toont één bron van de taaiheid van het materiaal: de schade is wijdverbreid in kleine, ingeperkte scheuren.
Parelmoer, ook bekend als parelmoer, combineert platen van sterk maar bros calciumcarbonaat met een zachte eiwitlijm in een bakstenen-en-mortelstructuur die 3000 keer sterker is dan beide bestanddelen. Gewoonlijk, wanneer wetenschappers composieten maken in het laboratorium, zijn de eigenschappen van de resulterende materialen gemiddeld die van hun bestanddelen. Als de natuur composieten maakt, zijn de eigenschappen beter, zegt Robert Ritchie , voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering aan de University of California, Berkeley, die mede leiding gaf aan het keramiekonderzoek. Dat komt omdat de composieten van de natuur complexe structuren hebben die moeilijk na te bootsen zijn. Mensen hebben het geprobeerd, maar kunnen die fijne structuur niet krijgen, zegt Ritchie.
Al jaren proberen wetenschappers nieuwe materialen te ontwerpen op basis van taaie natuurlijke materialen zoals parelmoer en been. Het keramiek van Berkeley laat echt zien dat het heel succesvol kan zijn om onze inspiratie uit de natuur te halen om betere materialen te synthetiseren, zegt Julia Greer , een materiaalwetenschapper bij CalTech.
Om hun keramiek in parelmoerachtige structuren te vormen, creëren de Berkeley-onderzoekers eerst een watersuspensie van het materiaal dat van een patroon moet worden voorzien - in dit geval aluminiumoxide. Daarna koelen ze het op een zeer gecontroleerde manier. Aan de ene kant haal je de verwarming eruit, legt Ritchie uit. Dit leidt tot lange, dunne structuren die de onderzoekers na verhitting in microschaalachtige, baksteenachtige structuren persen om het water te verdampen. Wanneer dit proces wordt herhaald, ontstaat er een gelaagde, poreuze structuur van aluminiumoxidestenen die met elkaar zijn verbonden door kolomachtige structuren - dezelfde vormen als in natuurlijk parelmoer. Om vervolgens de eiwitlijm in de abalone-schaal na te bootsen, vullen de onderzoekers de ruimtes met een polymeer. Dit proces wordt online beschreven in het tijdschrift Wetenschap deze week. Andere groepen hebben dunne films gemaakt van biomimetische materialen; de Berkeley-groep is erin geslaagd om grote stukken te maken.
Zonder demping door het polymeer zouden de stenen broos zijn zoals de meeste keramiek. Maar het polymeer zorgt ervoor dat de steenachtige lagen over elkaar glijden wanneer ze worden belast, waardoor het materiaal bestand is tegen breuken. Deze fysieke structuur is inderdaad sterker dan enig keramiek dat ooit in het laboratorium is gemaakt. Hoge taaiheid en hoge sterkte zijn meestal onverenigbaar in keramiek, zegt: Eric Stach , een materiaalingenieur aan de Purdue University die niet betrokken was bij het Berkeley-werk. Maar de keramiek die in Berkeley is gemaakt, heeft evenveel sterkte en taaiheid als aluminiumlegeringen, waarmee je vliegtuigen kunt besturen, zegt Stach.
Hoewel ze waarschuwen dat de parelmoerachtige keramiek zich in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt, zeggen de Berkeley-onderzoekers dat de materialen toepassingen van keramiek mogelijk moeten maken die onbereikbaar leken. Je zou keramiek kunnen gebruiken om het frame van een auto te maken in plaats van staal, en brandstof te besparen, zegt Ritchie. Antoni Tomsia, een materiaalwetenschapper aan het Lawrence Berkeley Laboratory die het onderzoek leidde, zegt dat taai keramiek, dat goede isolatoren is, dubbel werk zou kunnen doen als structurele elementen in energiezuinige gebouwen. En ze kunnen ook worden gebruikt in lichtgewicht kogelvrije vesten en voertuigbepantsering voor het leger.
Het nieuwe werk, zeggen materiaalwetenschappers, toont de weg vooruit voor taaie biomimetische materialen. Paul Hansma , hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, noemt het werk verbazingwekkend en zegt dat de prestaties van het nieuwe keramiek de lat op dit belangrijke gebied hoger leggen.
Ritchie en Tomsia zijn ervan overtuigd dat ze het materiaal nog beter kunnen maken. Natuurlijk parelmoer heeft keramische structuren die een orde van grootte kleiner zijn dan die in het Berkeley-materiaal, evenals een hogere verhouding van baksteen tot mortel. Ritchie zegt dat de groep werkt aan het kleiner en dichter bij elkaar maken van de keramische stenen en het verminderen van het polymeergehalte. Ze experimenteren ook met verschillende mortieren. Omdat het nieuw ontwikkelde keramiek een kleverig polymeer bevat, zou het falen in omgevingen met hoge temperaturen, zoals de binnenkant van een motor. Daarom experimenteren de Berkeley-onderzoekers met metalen vulstoffen, die hogere temperaturen kunnen weerstaan.