Нерушимый: скорпионы и губки вдохновляют экологичный дизайн

Люди ни в коем случае не одиноки в поисках более устойчивых материалов. Природа тоже «работает» над проблемой устойчивости, и делает это уже гораздо дольше. Исследователи из Института науки Вейцмана показывают, как дизайнерские приемы, используемые древними существами, такими как скорпионы и губки, могут помочь оптимизировать устойчивость искусственных материалов, продвигая устойчивый дизайн.

«В естественном мире материалы развивались на протяжении миллионов лет в средах, часто определяемых ограниченностью ресурсов и суровыми условиями», — объясняет профессор Даниэль Вагнер с кафедры молекулярной химии и материаловедения Вейцмана, который изучал механические аспекты природных материалов для несколько десятилетий.

«Нашей отправной точкой была интуиция о том, что биологические структуры вокруг нас — деревья, растения, кости, скелеты различных организмов — развивались таким образом, который по определению является устойчивым».

«В этом отношении устойчивость имеет ключевое значение», — говорит доктор Исраэль Гринфельд, соавтор исследования. «Живые организмы, например, демонстрируют множество специализированных стратегий борьбы с внешними силами, затрачивая при этом как можно меньше энергии. Вот почему нам есть чему поучиться у природы, а давайте попробуем разработать более прочные и долговечные материалы из наш.

«Повышение прочности материала часто приводит к компромиссу в гибкости. Но природа разработала структуры, которые позволяют достичь и того, и другого без компромиссов».

Улучшенные и эффективные материалы открывают важный путь к более устойчивому будущему, поскольку они могут привести к уменьшению количества отходов и снижению потребности в топливе. Но любая попытка продвигать выгодное свойство материала имеет тенденцию наносить ущерб другим его свойствам. Например, увеличение силы обычно приводит к увеличению веса или снижению гибкости.

«Оказывается, природа находит удивительные способы оптимизации баланса», — говорит Гринфельд. Особенностью оптимизации, обнаруженной во многих упругих органических веществах, является многослойная конструкция: материалы, состоящие из различных веществ, наслоенных или переплетенных. Этот тип композитного материала часто демонстрирует прочность и упругость, сохраняя при этом другие полезные свойства, такие как легкость и гибкость.

В исследовании опубликовано В Научные отчетыВагнер и Гринфельд исследовали два натуральных ламината, которые обладают исключительной степенью прочности: внешнюю оболочку или кутикулу скорпиона и внутренний скелет или спикулу морской губки. Исследователи обнаружили, что секрет их устойчивости заключается в сортировке — специализированной стратегии, редко встречающейся в искусственных материалах: постепенном изменении свойств от одного слоя к другому.

У обоих существ разные слои различаются по толщине, а в панцире скорпиона их жесткость также уменьшается снаружи внутрь, так что поверхность, обращенная к враждебному миру, в котором обитает скорпион, обладает большей устойчивостью, чем внутренняя часть его панциря. Фактически, исследование скорпиона, основанное на работе, начатой ​​в Вейцмане доктором Исраэлем Келлерштейном, бывшим студентом команды Вагнера, показало, что сложная оболочка организма представляет собой смесь, состоящую из восьми различных структурных уровней.

Было обнаружено, что у скорпиона и губки тонкое, но мощное «перетасовывание» или реорганизация стратифицированных слоев служит биологическим компромиссом между конфликтующими свойствами, помогая им противостоять типам стрессов, с которыми они обычно сталкиваются.

Взлом кода

Благодаря классификации панцирь и скелет губки скорпиона, будучи прочными и долговечными, особенно хорошо противостоят растрескиванию. Несмотря на то, что они различаются по химическому составу и структуре, оба оптимизируют это сопротивление по одному и тому же принципу: деформация за счет разрушения.

Это означает, что у обоих организмов трещины ослабляются за счет изменения их траектории. Как только в материале начинает появляться трещина, постепенная структура материала «поощряет» ее изменить курс и распространиться параллельно поверхности, а не погружаться глубже, где она, вероятно, вызовет более массивные структурные повреждения, потенциально ведущие к катастрофические последствия. крах.

Чтобы лучше понять, как работает сортировка у обоих организмов, исследователи адаптировали модель из классической механики разрушения — области, которая занимается изучением того, как что-то ломается. Модель показала, что без классификации для достижения одинаковой устойчивости скорпиона и губки потребовались бы более дорогостоящие меры, такие как более толстые компоненты. Исследование также показало, что устойчивость повышается за счет перемещения большего количества материалов в структурные области, которые более важны с точки зрения долговечности.

На этом исследователи не остановились. Они показали, как в биоматериалах ранжирование можно использовать способами, которые природа еще не могла себе представить. «С помощью этой модели мы смогли изменить уровни классификации таким образом, о котором скорпион и губка даже не задумывались», — говорит Гринфельд.

Гринфельд и Вагнер отмечают, что очень сложно импортировать такие концепции, как градация, в искусственные конструкции. «Для людей такая конструкция является инновационной», — говорит Гринфельд. «Биологические структуры создаются снизу вверх — от крошечных наноразмерных строительных блоков до микроскопических структур, а затем к все более и более крупным структурам, тогда как в инженерии обычно не начинают с молекулярного уровня».

Однако, несмотря на то, что структура скорпиона особенно сложна, другие природные микроструктуры, такие как морская губка, могут быть легче применены в технике. Например, в скелете губки растрескивание замедляется или прекращается не только за счет сортировки, но и за счет того, что слабые слои перемежаются небольшим количеством более мягких слоев. «Это керамика, по существу сделанная из кремнезема, а не из того типа материала, от которого обычно ожидают высокой стойкости к разрушению», — говорит Вагнер.

По словам исследователей, лучшее понимание стратегий, используемых в природных композитных материалах, может помочь инженерам оптимизировать наши собственные композиты, созданные человеком, — широкое семейство материалов, начиная от вездесущего цемента и заканчивая специализированными армированными волокнами ламинатами, используемыми в аэрокосмической промышленности.

Я не копирую, точно

Вагнер и Гринфельд, проработавшие вместе более десяти лет, имеют разный профессиональный опыт. Вагнер уже давно проводит фундаментальные исследования микромеханики биологических композиционных материалов и искусственных наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и графен.

Тем временем Гринфельд сделал карьеру в авиационной технике — области, где эффективность имеет решающее значение. Он также черпает вдохновение из различных областей использования материалов: от проектирования конструкций до системотехники и изобретений. «Придя из мира практического творчества, доктор Гринфельд привносит в нашу лабораторию другой взгляд, и мы оба извлекаем выгоду из этого сотрудничества», — говорит Вагнер.

«Наша работа заключается не в том, чтобы копировать», — добавляет он. «Речь идет о том, чтобы черпать вдохновение из творений природы».

«Как вы используете это вдохновение, зависит, конечно, от инженерных целей, но это также связано с расширением горизонтов того, что вы можете сделать с помощью инженерии», — говорит Гринфельд.

Вагнер говорит: «Я бы определил устойчивость как способность удовлетворять потребности настоящего, не нанося ущерба способности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности. Мы рассматриваем важность механической прочности через эту призму: повышение износостойкости или повышение долговечности. гибкость, которая приводит к лучшим долгосрочным результатам, независимо от того, пытаетесь ли вы в первую очередь повысить эффективность использования топлива или количества необходимого сырья.