Naukowcy badają materiały przeciwzmęczeniowe inspirowane małżami

PEKIN — Chińscy naukowcy odkryli mechanizm niezwykłej odporności małży na zmęczenie podczas niezliczonych powtórzeń otwierania i zamykania muszli przez całe życie.

W ciągu 10 lat badań nad Cristaria plicata, słodkowodnym małżem, naukowcy odkryli mechanizm odpowiedzialny za odporność zawiasów małży na zmęczenie i zaproponowali nową zasadę projektowania odpornych na zmęczenie materiałów z odkształcalnością, zgodnie z artykułem opublikowanym niedawno w czasopiśmie Nauka.

Zmęczenie jest wyzwaniem dla żywych organizmów. Podczas czynności wymagających powtarzalnych obciążeń, takich jak bieganie, skakanie i żucie, zmęczenie może prowadzić do obrażeń lub śmierci. Struktury syntetyczne zawierające kruche materiały również cierpią z powodu tej wady. W rezultacie istnieje pilna potrzeba zbadania i opracowania materiałów odkształcalnych o wysokiej odporności na naprężenia.

Zespół naukowców z University of Science and Technology of China (USTC) czerpał inspirację z małży, które łączą swoje stawy małży i wytrzymują powtarzające się odkształcenia ruchów otwierania i zamykania, zachowując jednocześnie stabilną funkcję bez awarii.

„Połączenie jest naprawdę niesamowite”, powiedział Mao Lipu, członek zespołu badawczego z USTC, zauważając, że ma teksturę mineralną w kształcie wachlarza, która zawiera dużo kruchego węglanu wapnia, który nie jest w stanie wytrzymać dużych odkształceń. Jednak zawias ulega znacznej deformacji podczas ruchów łusek.

„Próbowaliśmy dowiedzieć się, jak małże równoważą tę sprzeczność między użyciem kruchych materiałów a potrzebą deformacji” – powiedział Mao.

Mao dodał jednak, że analiza naturalnych biomateriałów jest dużym wyzwaniem dla materiałoznawców ze względu na ich nieznany skład i złożoną strukturę.

Zespół badawczy zaprojektował urządzenie testowe do sprawdzania odporności zawiasu na zmęczenie. Odkryli, że zawias nie wykazywał oznak zmęczenia nawet po wytrzymaniu 1,5 miliona odkształceń i nadal wspierał otwieranie i zamykanie dwóch skorup.

Skanując zawias, zespół odkrył, że kruche druty z węglanu wapnia były ułożone promieniście w tkance zawiasu w kształcie wachlarza i osadzone w elastycznej matrycy.

Elastyczna matryca organiczna zmniejsza koncentrację naprężeń w tkankach i zapobiega pękaniu nanoprzewodów, powiedział Meng Xiangsen, członek zespołu badawczego z USTC i pierwszy autor artykułu.

Meng zauważył, że dzięki wieloskalowemu projektowi strukturalnemu miękki i sztywny kompozyt w tkaninie zawiasu koordynuje deformację i przenosi zewnętrzne obciążenia z kierunku promieniowego na kierunek obwodowy podczas ruchu pocisku.

Zainspirowany tym naturalnym mechanizmem, zespół badawczy opracował kruchy materiał kompozytowy z włókna szklanego i polimeru i pomyślnie zweryfikował jego odporność na zmęczenie pod wpływem powtarzających się odkształceń.

Recenzent w czasopiśmie powiedział, że odkrycia łączą wiele różnych technik, aby zrozumieć właściwości odporności na zmęczenie tkanek zawiasowych małży i zachęcić do dalszych prac badawczych z wykorzystaniem związków inspirowanych biologią w celu zaprojektowania nowych materiałów o zwiększonej odporności na zmęczenie.