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软物质和液体

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科学家破解牡蛎’s secret of strength

01 Apr 2014
防摔外壳

美国研究人员已经揭示了一系列纳米机制,这些机制可以使透明的牡蛎壳抵抗食肉动物的刺穿牙齿。研究人员说,这一发现可能会带来更好的透明防护设备,例如即使经过多次撞击也能保持完好无损并保持能见度的面罩和防弹挡风玻璃。

这些发现是由 克里斯汀·奥尔蒂斯(Christine Ortiz) 和麻省理工学院的李玲。他们俩专注于窗玻璃牡蛎的壳, 胎盘素,生活在菲律宾和热带中部印度太平洋地区其他地区的水域中。作为唯一的透明双壳壳,它可能是自然界中最坚韧的透明材料。

砸伤

当Ortiz对美国国防部的一项举措感兴趣时,她第一次遇到了牡蛎,该举措是用一种在多次撞击后仍能保持可见性的材料代替其夹层玻璃防弹挡风玻璃。在前往华盛顿特区史密森尼学会的旅途中,她和她的同事数了大约10 半透明盔甲的动物种类。由于双壳壳特别坚硬,因此该小组选择了基于方解石的壳 P. placenta. “我们把它砸了,它不会’t break,” she says, adding “我们用刀刺了壳,但它仍然不会’t break.”这与方解石矿物样品不同,后者“分成一百万个 ”.

Ortiz和Li使用各种电子显微镜技术发现,与大多数材料不同,裂纹不会从撞击点扩散到外壳上。研究表明,壳’韧性是方解石层非常薄而受到撞击的结果。这些层约占外壳质量的99%,平均厚度为300 nm –大约是人发厚度的1/300。这些层包括排列成马赛克状的细长菱形瓷砖。在方解石层之间放置着更薄的有机材料层。

孪生乐队

尝试使用带有微米级金刚石尖端的锤子破坏外壳,导致单个方解石晶体中的窄原子带转移到新的取向,这种现象称为变形孪晶。每个带中的晶体结构表现得像螺栓松动的构造器’脚手架,在撞击前会倾斜到一侧,一旦撞击就以相反的方式倾斜。新的方向看起来像原始晶体结构的镜像或孪晶。每个孪生带只有大约50个 nm宽,停在该层的顶部和底部。这些带吸收了大部分的冲击能量,而没有晶体破裂。

研究小组还发现,孪晶引发了其他有助于耗散能量的非弹性机制。其中包括在方解石层之间和内部形成微小的裂缝,以及在方解石层之间拉伸有机材料。

虽然在单晶矿物方解石的类似实验中也观察到孪晶,但孪晶谱带更宽,并在整个样品中传播。这导致了裂纹,该裂纹通过散射光而削弱了结构并降低了透明度。

弹道材料

尽管牡蛎壳远未达到防弹性能,但奥尔蒂斯(Ortiz)建议,其耗能机制可用于开发适用于可以保护士兵的设备的材料’眼睛和面部,防弹盾牌以及其他用于战斗的防护装备。“我们的计划是将这些有机材料换成弹道材料,” she says. “我们还有更多可以使用的陶瓷。”

马库斯·布勒(Markus Buehler)也是麻省理工学院的一员,但未参与研究 physicsworld.com “我对这些发现感到非常兴奋,并认为它们有可能开启装甲设计的新范式。” “一个长期的问题是如何将脆性方解石首先转变为结构合理且坚韧的材料,这是一个长期存在的问题,这项工作报告了朝着这一目标迈出的重要一步。” However, “制造具有相同层次结构和复杂性的合成材料可能很困难,” he cautions.

彼得·弗雷茨 德国波茨坦马克斯普朗克胶体与界面研究所的研究人员指出,尽管实用材料可能不会由方解石制成,但这项研究提供了“材料多尺度设计的蓝图,该蓝图可以基于方解石以外的工程陶瓷,例如,具有真正更好的盔甲性能”.

该研究描述于 自然材料.

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