Madreperla, detta anche madreperla, è un duro, componente forte e leggero delle conchiglie. La struttura microscopica della madreperla mostra piastrine legate da una matrice più morbida per formare un composito con proprietà che gli scienziati dei materiali cercano di imitare nei compositi sintetici. Una nuova formula dei ricercatori della Rice University mira a semplificare il processo. Credito:Wikipedia
Madreperla, lo strato iridescente nei gusci di alcuni molluschi, ha ispirato uno studio della Rice University che aiuterà scienziati e ingegneri a giudicare la forza massima, rigidità e tenacità dei materiali compositi per qualsiasi cosa, dall'elettronica su nanoscala agli edifici.
I ricercatori del riso Rouzbeh Shahsavari e Navid Sakhavand hanno creato mappe universali che predicono le proprietà dei compositi a matrice piastrinica naturali e biomimetici (come madreperla, alias madreperla) e pile sintetiche (o eterostrutture) di materiali come grafene e nitruro di boro.
Hanno detto che le loro mappe disegnate al computer sono "adimensionali" e le loro scoperte funzioneranno anche per materiali costruiti con blocchi su scala nanometrica come farebbero per un muro di mattoni, o più grande.
"Questa è la bellezza di questo approccio:può scalare fino a qualcosa di molto grande o molto piccolo, " disse Shahsavari, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza e ingegneria dei materiali.
La ricerca è apparsa questa settimana in Comunicazioni sulla natura .
La formula si basa su quattro caratteristiche dei singoli materiali presi in considerazione per un composito:la loro lunghezza, un rapporto basato sulla rispettiva rigidità, la loro plasticità e come si sovrappongono.
Questi sono gli input, disse Sakhavand, uno studente laureato nel laboratorio di Shahsavari. "Se li conosci, puoi prevedere la rigidità, resistenza e tenacità del composito finale. La chiamiamo una mappa universale perché tutti quei parametri di input sono rilevanti per tutti i compositi e le loro proprietà strutturali".
A scienziati e ingegneri dei materiali, rigidità, la tenacità e la forza sono distinte, importanti proprietà meccaniche. La forza è la capacità di un materiale di rimanere insieme quando viene allungato o compresso. La rigidità è quanto bene un materiale resiste alla deformazione. La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima del cedimento.
Le mappe di progettazione dei ricercatori mostrano come i materiali valutano in tutte e tre le categorie e dove si sovrappongono. Il loro obiettivo è aiutare gli ingegneri a calcolare le qualità finali di un materiale e ridurre i tentativi e gli errori.
Lo studio è iniziato quando Shahsavari ha esaminato da vicino l'architettura della madreperla, che massimizza sia la forza che la tenacità, che come proprietà tipicamente si escludono a vicenda nei materiali ingegnerizzati. Al microscopio, la madreperla si presenta come un muro di mattoni ben costruito con piastrine sovrapposte di diversa lunghezza tenute insieme da sottili strati di un biopolimero elastico.
I ricercatori del riso Rouzbeh Shahsavari, sinistra, e Navid Sakhavand hanno creato mappe universali che prevedono le proprietà di compositi a matrice piastrinica naturali e biomimetici e pile sintetiche di materiali come grafene e nitruro di boro. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Ha una struttura e una proprietà molto particolari:ottimizza contemporaneamente diverse proprietà meccaniche." disse Sakhavand.
Però, l'ingegneria dei compositi simili alla madreperla è stata finora difficile, "principalmente per la mancanza di una mappa progettuale che possa rivelare i vari collegamenti tra la struttura, materiali e proprietà dei materiali simili alla madreperla, "Ha detto Shahsavari.
Ha detto che il lavoro è una pietra miliare importante verso una migliore capacità di decodificare e replicare l'architettura di madreperla per leggerezza, compositi ad alte prestazioni. Questi potrebbero avvantaggiare l'aerospaziale, industrie automobilistiche e edili, Egli ha detto.
Un'illustrazione prodotta dagli scienziati della Rice University confronta le proprietà delle strutture composite in base ai loro calcoli. I ricercatori hanno creato una mappa di progettazione che prevede la forza, rigidità e tenacità dei compositi indipendentemente dalle dimensioni. Credito:Shahsavari Group/Rice University
Il lavoro dei ricercatori di Rice ha attraversato tre anni di calcoli e sperimentazioni che hanno coinvolto la mappatura delle proprietà di compositi naturali come il collagene e la seta di ragno, nonché di pile sintetiche come nitruro di boro/grafene esagonale e silumina/allumina. Hanno anche testato la loro teoria su macroscala, Compositi stampati in 3D di plastica dura e gomma morbida che imitavano le proprietà osservate nella madreperla.
Una mappa di 15 dei materiali che hanno testato mostra che quelli naturali come la madreperla tendono ad essere forti e resistenti, mentre i sintetici tendono a essere forti e rigidi. Shahsavari ha detto che spera che gli scienziati dei materiali utilizzino le mappe di progettazione per dare ai loro compositi la migliore combinazione possibile di tutte e tre le proprietà.
