211service.com
Keramik som inte går sönder
Keramik är lätt och hård, men du kan inte göra jetmotorer av dem eftersom de skulle splittras som mattallrikar. Så materialforskare har försökt efterlikna naturliga material som kombinerar styrka (ett mått på motstånd mot deformation) med seghet (ett mått på motstånd mot brott). I synnerhet har de tittat på det porösa men motståndskraftiga materialet som kallas pärlemor som kantar abaloneskal. Nu har forskare utvecklat en metod för att tillverka pärlemorliknande material i labbet. Dessa nya material har mekaniska egenskaper som liknar metallegeringar och är den tuffaste keramik som någonsin gjorts. Den nya metoden kan leda vägen till keramiska konstruktionsmaterial för energieffektiva byggnader och lätta men motståndskraftiga bilramar.
Biomimik i bulk: Berkeley-forskarna gjorde stora bitar av den tuffa keramiken, medan andra forskare som härmar tuffa naturmaterial har bara kunnat göra tunna filmer. En tuff keramiks struktur efterliknar den hos abaloneskal. Denna svepelektronmikroskopbild (nederst), tagen under ett stresstest, visar en källa till materialets seghet: skador är brett spridda i små, inneslutna sprickor.
Nacre, även känd som pärlemor, kombinerar tallrikar av starkt men sprött kalciumkarbonat med ett mjukt proteinlim i en tegel- och murbruksstruktur som är 3 000 gånger tuffare än någon av beståndsdelarna. Vanligtvis, när forskare tillverkar kompositer i labbet, är de resulterande materialens egenskaper genomsnittligt jämfört med deras beståndsdelar. När naturen gör kompositer är egenskaperna bättre, säger man Robert Ritchie , ordförande för Institutionen för materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of California, Berkeley, som ledde keramikforskningen. Det beror på att naturens kompositer har komplexa strukturer som är svåra att efterlikna. Folk har försökt, men kan inte få den finheten i strukturen, säger Ritchie.
I flera år har forskare försökt designa nya material baserade på tuffa naturmaterial som pärlemor och ben. Berkeley-keramiken visar verkligen att det kan vara mycket framgångsrikt att hämta vår inspiration från naturen för att syntetisera bättre material, säger Julia Greer , en materialforskare vid CalTech.
För att forma sin keramik till pärlemorliknande strukturer skapar Berkeley-forskarna först en vattensuspension av materialet som ska mönstras - i det här fallet aluminiumoxid. Sedan kyler de det på ett väldigt kontrollerat sätt. Man tar bort värmen i ena änden, förklarar Ritchie. Detta leder till långa, tunna strukturer som forskarna pressar in i mikroskaliga, tegelliknande strukturer efter att ha värmt upp dem för att förånga vattnet. När denna process upprepas skapar den en skiktad, porös struktur av aluminiumoxidtegel som är anslutna till varandra med kolonnliknande strukturer - samma former som finns i naturlig pärlemor. Sedan, för att efterlikna proteinlimmet i abaloneskalet, fyller forskarna utrymmena med en polymer. Denna process beskrivs online i tidskriften Vetenskap Denna vecka. Andra grupper har gjort tunna filmer av biomimetiska material; Berkeley-gruppen har lyckats göra stora bitar.
Odämpade av polymeren skulle tegelstenarna vara spröda som de flesta keramik. Men polymeren tillåter de tegelliknande skikten att glida över varandra när de belastas, vilket gör materialet motståndskraftigt mot brott. Faktum är att den här tegel- och murbruksstrukturen är tuffare än någon keramik som någonsin gjorts i labbet. Hög seghet och hög hållfasthet är vanligtvis oförenliga i en keramik, säger man Erik Stach , en materialingenjör vid Purdue University som inte var involverad i Berkeley-arbetet. Men keramiken som skapas på Berkeley har lika mycket styrka och seghet som aluminiumlegeringar, som man kan flyga flygplan med, säger Stach.
Även om de varnar för att den pärlemorliknande keramiken är i sina tidiga utvecklingsstadier, säger Berkeley-forskarna att materialen borde göra det möjligt att använda keramik som har verkat ouppnåeligt. Man skulle kunna använda keramik för att göra en bils ram istället för stål och spara bränsle, säger Ritchie. Antoni Tomsia, en materialforskare vid Lawrence Berkeley Laboratory som var med och ledde forskningen, säger att tuff keramik, som är bra isolatorer, skulle kunna fungera dubbelt som strukturella element i energieffektiva byggnader. Och de kan också användas i lätta skottsäkra västar och fordonsrustningar för militären.
Det nya arbetet, säger materialforskare, visar vägen framåt för tuffa biomimetiska material. Paul Hansma , professor i fysik vid University of California i Santa Barbara, kallar arbetet häpnadsväckande och säger att prestandan hos den nya keramiken höjer ribban inom detta viktiga område.
Ritchie och Tomsia är övertygade om att de kan göra materialet ännu bättre. Naturlig pärlemor har keramiska strukturer som är en storleksordning mindre än de i Berkeley-materialet, samt ett högre förhållande mellan tegel och murbruk. Ritchie säger att gruppen arbetar med att göra de keramiska tegelstenarna mindre och närmare varandra och minska polymerinnehållet. De experimenterar också med olika murbruk. Eftersom den nyutvecklade keramiken innehåller en klibbig polymer, skulle den misslyckas i högtemperaturmiljöer som insidan av en motor. Så Berkeley-forskarna experimenterar med metallfyllmedel, som tål högre temperaturer.