Lo studente laureato Zhifei Deng esegue test nanomeccanici su un nanoindentatore. Credito:Virginia Tech
Ling Li, un assistente professore in ingegneria meccanica alla Virginia Tech, ha trovato informazioni sulla costruzione di ceramiche più forti e resistenti studiando i gusci dei molluschi bivalvi.
Questa prospettiva si forma osservando la capacità dei mattoni minerali di base nel guscio di anticipare le fratture, invece di concentrarsi solo sulla forma e sulla chimica della struttura. I risultati delle scoperte del suo gruppo sono stati pubblicati il 10 novembre, 2020, problema di Comunicazioni sulla natura .
Il team di Li ha condotto un'analisi approfondita delle strutture microscopiche dei gusci dei molluschi a guscio di penna, bivalvi originari dei Caraibi. I gusci di questi animali sono costituiti da due strati, uno strato interno di madreperla e uno strato esterno di colore marrone. Lo strato interno di madreperla, detta anche madreperla, è spesso iridescente a causa della sua struttura a strati nanoscopici regolari, simile al meccanismo di colorazione per molte ali di mosca bottiglia.
Il team di Li ha concentrato la sua attenzione sullo strato esterno, che è composto da cristalli di calcite a forma di prisma disposti a mosaico. Tra cristalli minerali adiacenti, molto sottile (circa 0,5 micrometri, meno di un centesimo delle dimensioni di un capello umano) sono presenti interfacce organiche che incollano insieme i cristalli. I cristalli di calcite misurano circa mezzo millimetro di lunghezza e 50 micrometri di diametro, simili a prismi allungati.
A differenza di molti cristalli geologici o sintetici, dove gli atomi all'interno dei loro grani cristallini sono perfettamente disposti in modo periodico, i cristalli di calcite nei gusci delle penne contengono molti difetti nanoscopici, composto principalmente da sostanze organiche.
Micrografie elettroniche a scansione dei cristalli di calcite biologica (a sinistra) e geologica (a destra) dopo che sono stati incisi con una punta di diamante affilata con la stessa quantità di forza (0,5 N). Si noti che il modello di danno nei cristalli di calcite biologica trovati nei gusci delle penne è altamente localizzato e molto più piccolo di quello della calcite geologica (circa 40 μm contro 100 μm). Credito:Virginia Tech
"Si può considerare la ceramica biologica, in questo caso i cristalli di calcite delle conchiglie della penna, come una struttura composita, dove molte inclusioni nanometriche sono distribuite all'interno della sua struttura cristallina, " ha detto Li. "Questo è particolarmente notevole in quanto il cristallo di calcite stesso è ancora un singolo cristallo".
Normalmente, la presenza di difetti strutturali indica un sito di potenziale cedimento. Questo è il motivo per cui l'approccio normale è quello di ridurre al minimo le discontinuità strutturali o le concentrazioni di stress nelle strutture ingegneristiche. Però, La squadra di Li mostra che la dimensione, spaziatura, geometria, orientamento, e la distribuzione di questi difetti su scala nanometrica all'interno del biominerale è altamente controllata, migliorando non solo la resistenza strutturale ma anche la tolleranza ai danni attraverso fessurazioni e fratture controllate.
Quando questi gusci sono soggetti a una forza esterna, il cristallo riduce al minimo lo snervamento plastico impedendo il movimento di dislocazione, un modo comune per la deformazione plastica nella calcite pura, aiutato da quei difetti nanoscopici interni. Questo meccanismo di rinforzo è stato applicato in molte leghe metalliche strutturali, come la lega di alluminio.
Oltre ad aggiungere forza, questo design consente alla struttura di utilizzare i suoi schemi di fessurazione per ridurre al minimo i danni nel guscio interno. Lo schema ad incastro a mosaico dei cristalli di calcite nello strato del prisma contiene inoltre danni su larga scala quando la forza esterna si diffonde attraverso i singoli cristalli. La struttura è in grado di fessurarsi per dissipare l'energia di carico esterna senza cedere.
"Chiaramente questi difetti nanoscopici non sono una struttura casuale, ma invece, svolgono un ruolo significativo nel controllo delle proprietà meccaniche di questa ceramica naturale, " ha detto Li. "Attraverso i meccanismi scoperti in questo studio, l'organismo trasforma realmente la calcite originariamente debole e fragile in un'armatura biologica forte e durevole. Stiamo ora sperimentando possibili lavorazioni di fabbricazione, come la stampa 3D, per implementare queste strategie per sviluppare compositi ceramici con proprietà meccaniche migliorate per applicazioni strutturali."
