Brechen der Form: die Natur inspiriert härter Keramik

Dank ein wenig Inspiration aus der Natur könnte neue Keramik aus Materialien hergestellt werden, die sie stärker und härter, machen Forscher haben entdeckt.

Die neue Keramik ist inspiriert Bya Material namens Nacre, auch bekannt als Perlmutt. Perlmutt ist viel stärker und härter als gewöhnlichen Keramik und leitet sich aus dem Perlmutt der Abalone, eine kleine, Single-schalig marine Molluske.

Stärke ist nicht das gleiche wie Zähigkeit. Stärke ist die Fähigkeit eines Materials, eine Last ohne Bruch, zu widerstehen, während Härte die Fähigkeit ist, Energie zu absorbieren.

Keramiken sind häufig verwendet, um Objekte, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, aber sie sind auch spröde – Keramik Becher Höhe zerbricht anstatt Dellen. Um Keramik zu verschärfen, kombinieren Hersteller Sie diese mit anderen Materialien, wie Metalle oder Polymere. Aber solche Zusammensetzungen haben oft eingeschränkte Nutzung. Polymere, können beispielsweise nicht widerstehen Temperaturen höher als 572 Grad Fahrenheit (300 Grad Celsius), die ihre Verwendung in Motoren oder Öfen einschränkt.

Von fragile zu zäh

Künstlich geschaffene Perlmutt, auf der anderen Seite ist viel weniger spröde als Keramik und halten Temperaturen bis zu 1.112 F (600 C), so dass es nützlich für hoch beanspruchte und Hochtemperatur-Anwendungen.

Perlmutt ist in der Natur als die äußere Beschichtung der Perlen sowie einer inneren Schicht eine Molluske Shell gefunden. Calciumcarbonat, das 95 Prozent Nacre ausmacht, ist per se zerbrechlich. Aber Perlmutt ist sehr hart. [Bilder: Perlmutt unter dem Mikroskop]

Diese Zähigkeit ist aufgrund der Art und Weise, die der Nacre gebaut ist. Die Abalone marine Schnecke verwendet Proteine um Perlmutt zu erstellen, durch die schrittweise Entwicklung von Calciumcarbonat in einem geometrischen Muster. Das Ergebnis ist ähnlich wie bei einem Stapel von winzigen Ziegelsteine, zusammen mit einer "Mörtel" von Proteinen verschweißt.

In solch einem komplexen Muster müsste ein Riss einen sehr komplexen Pfad weiter folgen. Infolgedessen ist die Shell unglaublich robust.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Sylvain Deville und setzt sich aus Forschern vom französischen nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS), Université de Lyon, Ecole Normale de Lyon und Keramikhersteller Saint-Gobain, beschlossen, die Struktur von Perlmutt zu imitieren. Sie detailliert ihre Studie in einem jüngst veröffentlichten Papier veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Materials März 23.

Zunächst nutzten die Wissenschaftler eine gemeinsame Keramikpulver, Aluminiumoxid, bestehend aus mikroskopisch kleinen Plättchen. Sie mischte es mit Wasser, sowie einige andere einfache Zusätze, und dann die Mischung in eine Form auf einem gekühlten Kupfer gegossen.

Die niedrige Temperatur verursacht Eiskristalle wachsen in die Keramik-Mischung, und das Eis gezwungen die Thrombozyten, gut abgestimmten stapeln, sehr ähnlich der Struktur Nacre selbst zusammensetzen.

Als nächstes mussten die Forscher diese Stacks zusammen mit etwas ähnliches wie die Proteine in Perlmutt zu binden.

Um diese "Mörtel" zu imitieren, hinzugefügt die Forscher kleine Glaspartikel, die die Lücken zwischen den Plättchen mit einem Prozess namens Hochtemperatur-Verdichtung. In diesem Schritt wurde das Material in einen Farbstoff gleichzeitig gedrückt, wie es erhitzt wurde, verursacht die Thrombozyten auf bessere Pack zusammen, während kleine Glasschmelze Partikel die Grenzen zwischen den Plättchen gefüllt.

"Diese glasigen Phase imitiert die Rolle der Proteine in Perlmutt und war einer der wichtigsten Schritte zur Herstellung eines Materials, das die Eigenschaften des Nacre, ahmte", sagte Adam Stevenson von Saint-Gobain, einer der Co-Autoren der Studie. [Biomimetik: 7 clevere Technologien von der Natur inspiriert]

Abgesehen davon, dass etwa 10-mal härter als eine herkömmliche Aluminiumoxid-Keramik, bleibt die künstliche Perlmutt hart auch bei heißen Temperaturen von bis zu 1.112 F, sagte das Team.

"In veränderter Materialien, schon immer ein Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit – starke Materialien wurden immer auch sehr zerbrechlich," Deville erzählt Live Science. "Unser Material verbindet die Stärke eines ausgereiften Materials mit der Struktur des Perlmutt, die Risse zu einem Umweg durch das Material zwingt. "Es ist dieser Umweg, die die Materialien sowohl hart als auch stark macht."

Bioinspirierte Fertigung

Zu anderen Materialien sowie der Herstellungsprozess angewendet werden kann, sagte Deville. "Der Gefrierprozess ist ein physikalischer Vorgang," sagte er. "Es ist nicht stark von der Chemie des Materials, das Sie verwenden, sind betroffen. So, fast jedes Pulver, solange es in Form von Plättchen, kann über den gleichen Prozess selbst zusammensetzen."

Physiker Andre Studart der ETH Zürich in der Schweiz, der nicht in der Forschung beteiligt war, sagte, dass "macht Keramik hart und stark zugleich — wie die Autoren erreicht haben – ist eines der Heiliger Gral der Materialwissenschaftler."

Aber die Methode hat Einschränkungen. "Der größte Nachteil ist, dass das Material weitgehend anisotrop," was bedeutet das Material muss nicht identische Eigenschaften in alle Richtungen, sagte Studart. Holz, ist zum Beispiel einfacher, als zum Schneiden horizontal vertikal geteilt.

Und 1.112 F ist eine "relativ geringen Temperatur, und es wird notwendig, die höheren Betriebstemperaturen zu schieben", sagte Eduardo Saiz Gutierrez vom Imperial College London in das Vereinigte Königreich nicht an der Forschung beteiligt war.

In ähnlicher Weise die künstliche Perlmutt hart für eine Keramik, aber noch nicht so stark wie ein Metall, sagte Gutierrez Leben Wissenschaft.

"Es ist ein Weg, um die Struktur weiter zu manipulieren?", sagte er. "Oder, wenn wir spielen mit ähnlichen Strukturen, die die ideale Materialkombination werden?"

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