Hvězda ve světě keramického inženýrství

Hvězda ve světě keramického inženýrství

 

Tváří v tvář náročnému úkolu vývoje lehkých keramických materiálů s vysokou pevností se odborný asistent strojního inženýrství Ling Li obrátil na neočekávaného spolupracovníka, který hledá inspiraci pro design: vyboulenou hvězdici Protoreaster Nodosus z tropického Indo-Pacifiku. Zkoumáním složitého a vysoce uspořádaného mineralizovaného kosterního systému tohoto neobvyklého mořského druhu, objevil Li a jeho výzkumný tým neočekávanou kombinaci charakteristik, které mohou vést k vývoji zcela nové třídy vysoce výkonných lehkých keramických kompozitů. Časopis Science představil jejich zjištění v nedávné titulní zprávě.

Světlo tím, že bude porézní

Průmyslová odvětví, jako jsou automobilová a letecká výroba, mají velký zájem o navrhování pevných i lehkých materiálů, které spojují hospodárnost lepší palivové účinnosti s pevností. Pro průmysl je obtížné dosáhnout této rovnováhy, protože pevnější materiály mají obvykle vysokou hustotu, a proto váží více.

Příroda během milionů let evoluce přišla na důmyslný způsob, jak tento problém vyřešit: pomocí porézních materiálů. Zavedení vnitřní pórovitosti potenciálně vytváří extrémně lehké a mechanicky účinné materiály.

V přírodě existuje několik příkladů porézních materiálů. Patří mezi ně lidský kosterní systém, stonky rostlin a úly včel. Pokud člověk umístí tyto přírodní materiály pod mikroskop, pak rychle zjistí, že jsou plné malých dutin nebo komůrek. Přirozený růst formuje tyto porézní biologické konstrukce velmi efektivně a tato formace často vede k neočekávaně složitým vnitřním geometriím.

V Laboratoři biologických a bio-inspirovaných materiálů Li a jeho tým zkoumají přírodní lehké keramické struktury s cílem vyvinout nové principy materiálového designu pro řešení mechanické slabosti keramických pěn a architektonických materiálů.

"Naším celkovým cílem je učit se a čerpat inspiraci z přírody k vývoji nových porézních materiálů," řekl Li. "Příroda nabízí mnoho dobrých materiálových lekcí pro navrhování porézních materiálů, které jsou pevné a odolné vůči poškození."

Již dříve tým objevil, že unikátní komorová biokeramická struktura sépie (vnitřní kostra sépie) je současně pevná, tuhá a odolná proti zlomení, přičemž stále umožňuje regulaci vztlaku. Tento projekt a další podobné motivovaly tým k prozkoumání dalších aplikací porézních vzorů přírody v mikroměřítku.

Kostry hvězdice: Přírodní architektonická keramická mřížka

V této práci Li a jeho tým obrátili oči ke kostře hrbolaté hvězdice Protoreaster Nodosus. Sušené kostry tohoto druhu, které jsou široce rozšířeny po celé Indo-pacifické oblasti, se často používají pro domácí dekoraci. Tyto hvězdice mají kuželovité výběžky, které vystupují z jejich hřbetního povrchu a odrazují predátory.

Při pozorování vzorků koster těchto hvězdic v laboratoři NCFL (Nanoscale Characterization and Fabrication Laboratory), Li a Ph.D. student Ting Yang (autor článku a nyní postdoktorand na Massachusetts Institute of Technology) učinil pozorování, které vzbudilo jejich zájem: V mikroměřítku kostra hvězdice vykazovala mřížkovou architekturu s velmi pravidelným uspořádáním větve zcela odlišné od dříve studovaných porézních struktur sépiových kostí a ostnů mořského ježka. Jedinečná kosterní organizace této hvězdice ve skutečnosti vykazuje nejvyšší strukturní pravidelnost, jaká kdy byla u této skupiny bezobratlých hlášena. Takové pravidelné příhradové struktury vykazují pozoruhodné podobnosti s příhradovými konstrukcemi prostorového rámu běžně používanými v moderních lidských stavebních projektech.

Tým zajímalo, jak tento přírodní keramický mřížkový materiál dosáhl mechanické ochrany, protože kostry hvězdic jsou vyrobeny z kalcitu, krystalické formy uhličitanu vápenatého (křídy). Každé dítě obeznámené s hraním venku ví, že křída na chodníku je velmi křehká a snadno se rozbije. Tělo hvězdice však vykazuje vysokou pevnost a pružnost. Odhalení základních principů této struktury může pomoci vyřešit problémy výroby pevnější porézní keramiky.

To, co tým našel, bylo nečekané. Stejně jako u jiných druhů hvězdic se kostra hrbolaté hvězdy skládá z mnoha milimetrových kosterních prvků zvaných kůstky. Tyto kůstky se spojují s měkkou tkání, což umožňuje zvířeti být flexibilní a pohybovat se. Li a jeho tým objevili, že každá kůstka je konstruována z mikromřížkové struktury tak uniformní, že ji lze matematicky popsat, složenou z větví propojených uzly v podobném duchu jako struktura Eiffelovy věže. Ještě zajímavější je, že tým zjistil, že jednotná struktura mikromřížky, kvůli zarovnání jejích atomů, je v podstatě jediná krystalická struktura na atomové úrovni.

"Tento jedinečný materiál je jako periodická mřížka vyřezaná z kusu monokrystalu kalcitu," řekl Li. "Tato téměř dokonalá mikromřížka nebyla dosud v přírodě popsána ani nebyla vyrobena synteticky. Většina běžných mřížkových materiálů se vyrábí kombinací materiálů s malými krystaly za účelem vytvoření kompozitů, ale toto je novinka. Vyrostla jako jeden kus."

Tato struktura umožňuje hvězdici strategicky posílit svou kostru v určitých směrech a nabízí tak zvýšenou ochranu. Kromě toho se zdá, že zvíře může zahušťovat větve ve vybraných směrech a v určitých oblastech, čímž zlepšuje svůj mechanický výkon podobným způsobem, jakým má lidské tělo schopnost měnit místní geometrii svých porézních kostí, aby se přizpůsobily fyzické aktivitě. U hvězdice vědci také našli oblasti, kde se zdálo, že struktura modifikuje pravidelný mřížkový vzor jejího designu, což je vlastnost, která brání expanzi trhliny, když se mikromřížka rozbije.

Patricia Dove, expertka na biomineralizaci, uznávaná profesorka na univerzitě a profesor vědy CP Miles z Virginia Tech Department of Geosciences, uvedla, že tento biologický objev by mohl mít velký dopad na oblast bioinspirovaných inovací.

"Hvězdice a další ostnokožci žijící ve vysoce dravých prostředích mořského dna a odhalují svět materiálových inovací, které jsou zásadní pro přežití," řekl Dove. "Biologie, která využívá o něco více než mořskou vodu a některé organické složky, řídí tvorbu pozoruhodných koster, jako jsou ty u hvězdic. Tato nová studie základních vlastností mechanického inženýrství má obrovský potenciál jako hranice pro návrh nových materiálů."

Co bude dál?

Znalost architektury přírodních mikrostruktur představovala obrovský krok vpřed, ale Li a jeho tým měli více otázek. Existoval klíč ke způsobu, jakým tvorové pěstují své kostry, který by mohl vrhnout nějaké světlo na způsob jejich reprodukce?

Li a jeho spolupracovníci použili 3D tisk k modelování a vytváření rozsáhlých verzí těchto složitých mřížových struktur pro výzkumné i vzdělávací účely, což je užitečný přístup k pochopení složitosti těchto jedinečných geometrií. Zatímco 3D tištěné modely vytvořené Liovým týmem byly skutečně vizuálně inspirativní, technologie potřebná k uvedení nových, silnějších keramických mikroarchitektur na trh stále leží v budoucnosti. V současné době 3D tiskárny vyrábějí struktury na úrovni mikrometrů, ale tisk keramiky stále vyžaduje vypalování konečného produktu, což může způsobit mnoho nekontrolovatelných drobných pórů a prasklin. Tyto vady způsobují, že konstrukce jsou extrémně křehké.

"Příroda je schopna sestavit minerální prekurzory, aby vytvořily složité architektury při pokojové teplotě a okolním tlaku," řekl Li. "To je něco, čeho moderní lidská technologie v současnosti nemůže dosáhnout. Virginia Tech má velký výzkumný zájem o minerální struktury nalezené v přírodě a doufám, že tento vzrušující směr výzkumu může jednoho dne vést k vývoji široké škály bioinspirovaných pevnější a lehčí materiály."

 

Přiložené soubory:
- Ling Li s kostrou hvězdice
- Protoreaster Nodosus