Ling Li ha una lezione in uno dei suoi corsi di ingegneria meccanica su come i materiali fragili come il carbonato di calcio si comportano sotto stress. Dentro, prende un pezzo di gesso composto dal composto e lo spezza a metà per mostrare ai suoi studenti il ​​bordo di uno dei pezzi rotti. La rottura è smussata e diritta.

Quindi, torce un secondo pezzo, che si traduce in frammenti più nitidi rotti con un angolo di 45 gradi, indicando la direzione più pericolosa della tensione di trazione sul gesso. Il gesso rotto aiuta Li a dimostrare cosa farà il carbonato di calcio fragile sotto forze normali:tende a fratturarsi.

"Se lo pieghi, si romperà, " disse Li.

Nel laboratorio di Li per materiali biologici e bio-ispirati, molti degli animali oceanici che studia per i loro materiali strutturali biologici hanno parti fatte di carbonato di calcio. Alcuni molluschi lo usano nei cristalli fotonici che creano un display a colori vividi, "come le ali di una farfalla, " disse Li. Altri hanno occhi minerali costruiti con esso, nei loro gusci. Più Li studia questi animali, più è stupito dagli usi che i loro corpi trovano per materiale intrinsecamente fragile e fragile. Soprattutto quando l'uso sfida quella fragilità.

In uno studio pubblicato da Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Il team di ricerca di Li si è concentrato sulle seppie, un altro di quelli inventivi, animali costruiti con il gesso e un viaggiatore delle profondità dell'oceano. I ricercatori hanno studiato la microstruttura interna dell'osso di seppia, guscio interno altamente poroso del mollusco, e ha scoperto che la microstruttura è unica, il design a camera "setti a parete" ottimizza l'osso di seppia per essere estremamente leggero, rigido, e tollerante ai danni. Il loro studio approfondisce le strategie di progettazione dei materiali sottostanti che conferiscono all'osso di seppia queste proprietà meccaniche ad alte prestazioni, nonostante la composizione del guscio prevalentemente di fragile aragonite, una forma cristallina di carbonato di calcio.

Nell'oceano, la seppia usa l'osso di seppia come una vasca di galleggiamento per controllare il suo movimento su e giù per la colonna d'acqua, a profondità fino a 600 metri. L'animale regola il rapporto tra gas e acqua in quel serbatoio per galleggiare o affondare. Per servire a questo scopo, il guscio deve essere leggero e poroso per uno scambio fluido attivo, ma abbastanza rigido da proteggere il corpo della seppia dalla forte pressione dell'acqua mentre si immerge più in profondità. Quando l'osso di seppia viene schiacciato dalla pressione o dal morso di un predatore, deve essere in grado di assorbire molta energia. Quel modo, il danno rimane in una zona localizzata del guscio, piuttosto che frantumare l'intero osso di seppia.

La necessità di bilanciare tutte queste funzioni è ciò che rende l'osso di seppia così unico, La squadra di Li ha scoperto, mentre esaminavano la microstruttura interna del guscio.

dottorato di ricerca lo studente e coautore dello studio Ting Yang ha utilizzato la microtomografia computerizzata basata su sincrotrone per caratterizzare la microstruttura dell'osso di seppia in 3-D, penetrando nel guscio con un potente raggio di raggi X dell'Argonne National Laboratory per produrre immagini ad alta risoluzione. Lei e il team hanno osservato cosa è successo alla microstruttura del guscio quando è stato compresso applicando il metodo della tomografia in situ durante i test meccanici. Combinando questi passaggi con la correlazione delle immagini digitali, che consente il confronto delle immagini fotogramma per fotogramma, hanno studiato la completa deformazione dell'osso di seppia e i processi di frattura sotto carico.

I loro esperimenti hanno rivelato di più sulla microstruttura a "setti di parete" a camera di osso di seppia e sul suo design per un peso ottimizzato, rigidità, e tolleranza ai danni.

Il design separa l'osso di seppia in singole camere con pavimenti e soffitti, o "setti, " sostenuti da "pareti" verticali. Altri animali, come uccelli, avere una struttura simile, nota come struttura a sandwich. Con uno strato di osso denso sopra un altro e montanti verticali in mezzo per supporto, la struttura è resa leggera e rigida. A differenza della struttura a sandwich, però, la microstruttura dell'osso di seppia ha più strati, quelle camere, e sono supportati da pareti ondulate anziché da montanti dritti. L'ondulazione aumenta lungo ogni parete dal pavimento al soffitto in un "gradiente di ondulazione".

"L'esatta morfologia che non abbiamo visto, almeno in altri modelli, " ha detto Li del design. Questo design a setti a parete dà il controllo a osso di seppia di dove e come si verifica il danno nel guscio. piuttosto che catastrofico, guasto:quando compresso, le camere falliscono una ad una, progressivamente anziché istantaneamente.

I ricercatori hanno scoperto che le pareti ondulate dell'osso di seppia inducono o controllano la formazione di fratture al centro delle pareti, piuttosto che su pavimenti o soffitti, che farebbe crollare l'intera struttura. Poiché una camera subisce la frattura della parete e la successiva densificazione, in cui le pareti fratturate si compattano gradualmente nella camera danneggiata, la camera adiacente rimane intatta fino a quando i pezzi fratturati non penetrano nei suoi pavimenti e soffitti. Durante questo processo, una quantità significativa di energia meccanica può essere assorbita, Li ha spiegato, limitare l'impatto esterno.

Il team di Li ha ulteriormente esplorato il potenziale ad alte prestazioni della microstruttura dell'osso di seppia con la modellazione computazionale. Utilizzando misurazioni della microstruttura effettuate con la precedente tomografia 3-D, il ricercatore post-dottorato Zian Jia ha costruito un modello parametrico, ha eseguito test virtuali che hanno alterato l'ondulazione delle pareti della struttura, e osservò come si comportava la shell come risultato.

"Sappiamo che l'osso di seppia ha queste pareti ondulate con un gradiente, Li ha detto. "Zian ha cambiato il gradiente in modo che potessimo imparare come si comportava l'osso di seppia se andassimo oltre questa morfologia. È meglio, o no? Mostriamo che l'osso di seppia si trova in un punto ottimale. Se l'ondulazione diventa troppo grande, la struttura è meno rigida. Se le onde diventano più piccole, la struttura diventa più fragile. L'osso di seppia sembra aver trovato un punto debole, per bilanciare la rigidità e l'assorbimento di energia."

Li vede applicazioni per il design microstrutturale dell'osso di seppia nelle schiume ceramiche. Tra le schiume utilizzate per la resistenza allo schiacciamento o l'assorbimento di energia negli imballaggi, trasporto, e infrastrutture, i materiali polimerici e metallici sono le scelte più popolari. Le schiume ceramiche sono usate raramente perché sono fragili, Li ha detto. Ma le ceramiche hanno i loro vantaggi unici:sono chimicamente più stabili e hanno un'elevata temperatura di fusione.

Se le proprietà dell'osso di seppia potessero essere applicate alle schiume ceramiche, la loro capacità di resistere al calore elevato abbinata alla nuova tolleranza ai danni potrebbe rendere le schiume ceramiche ideali per l'uso come unità di protezione termica nelle navette spaziali o come protezione termica generale, Li crede. Il suo team ha valutato tale applicazione in uno studio separato.

Sebbene la squadra abbia già iniziato a guardare dal mare al cielo le possibilità ispirate dall'osso di seppia, il loro studio delle strategie di progettazione fondamentali del guscio è altrettanto importante per Li.

"La natura produce molti materiali strutturali, " Li ha detto. "Questi materiali sono realizzati a temperatura ambiente e pressione atmosferica regolare, a differenza dei metalli, che può essere dannoso per l'ambiente da produrre:è necessario utilizzare alte temperature e processi di rifrazione per i metalli.

"Siamo incuriositi da tali differenze tra i materiali strutturali biologici e i materiali strutturali ingegnerizzati. Possiamo unire questi due e fornire informazioni sulla creazione di nuovi materiali strutturali?"