211service.com
Keramika, kas nesaplīsīs
Keramika ir viegla un cieta, taču no tām nevar izgatavot reaktīvo dzinēju, jo tie saplīst kā šķīvji. Tātad materiālu zinātnieki ir mēģinājuši atdarināt dabiskos materiālus, kas apvieno izturību (deformācijas pretestības mērauklu) ar stingrību (izturības pret lūzumu mērauklu). Jo īpaši viņi ir pievērsuši uzmanību porainajam, bet elastīgajam materiālam, ko sauc par perlamutru, kas izklāj pērļgliemenes. Tagad pētnieki ir izstrādājuši metodi perlamutra līdzīgu materiālu ražošanai laboratorijā. Šiem jaunajiem materiāliem ir līdzīgas mehāniskās īpašības kā metālu sakausējumiem, un tie ir izturīgākā keramika, kas jebkad izgatavota. Jaunā metode varētu radīt ceļu uz keramikas konstrukcijas materiāliem energoefektīvām ēkām un viegliem, bet elastīgiem automašīnu rāmjiem.
Biomimikrija vairumā: Bērklija pētnieki izgatavoja lielus cietās keramikas gabalus, savukārt citi zinātnieki, kas atdarina izturīgus dabiskos materiālus, ir spējuši izveidot tikai plānas plēves. Izturīgās keramikas struktūra atdarina pērļgliemenes čaumalu struktūru. Šis skenējošā elektronu mikroskopa attēls (apakšā), kas uzņemts slodzes testa laikā, parāda vienu materiāla stingrības avotu: bojājumi ir plaši izplatīti mazās, ierobežotās plaisās.
Perlamutrs, kas pazīstams arī kā perlamutrs, apvieno stipra, bet trausla kalcija karbonāta plāksnes ar mīkstu proteīna līmi ķieģeļu un javas struktūrā, kas ir 3000 reižu stingrāka par jebkuru sastāvdaļu. Parasti, kad zinātnieki laboratorijā izgatavo kompozītmateriālus, iegūto materiālu īpašības ir vidēji līdzīgas to sastāvdaļu īpašībām. Kad daba veido kompozītmateriālus, īpašības ir labākas, saka Roberts Ričijs , Materiālzinātnes un inženierzinātņu katedras vadītājs Kalifornijas Universitātē Bērklijā, kurš bija līdzautors keramikas pētniecībai. Tas ir tāpēc, ka dabas kompozītmateriāliem ir sarežģītas struktūras, kuras ir grūti atdarināt. Cilvēki ir mēģinājuši, bet nevar iegūt tik smalku struktūru, saka Ričijs.
Jau gadiem ilgi zinātnieki ir mēģinājuši izstrādāt jaunus materiālus, kuru pamatā ir tādi izturīgi dabīgi materiāli kā perlamutrs un kauls. Bērklija keramika patiešām parāda, ka iedvesmas gūšana no dabas, lai sintezētu labākus materiālus, var būt ļoti veiksmīga, saka Džūlija Grīra , materiālu zinātnieks uzņēmumā CalTech.
Lai keramiku veidotu perlamutra līdzīgās struktūrās, Bērklija pētnieki vispirms izveido rakstāmā materiāla ūdens suspensiju – šajā gadījumā alumīnija oksīdu. Tad viņi to atdzesē ļoti kontrolētā veidā. Jūs izņemat siltumu vienā galā, skaidro Ričijs. Tas noved pie garām, plānām struktūrām, kuras pētnieki pēc to karsēšanas iespiež mikro mēroga, ķieģeļiem līdzīgās struktūrās, lai iztvaikotu ūdeni. Kad šis process tiek atkārtots, tas rada slāņainu, porainu alumīnija oksīda ķieģeļu struktūru, kas savienota viena ar otru ar kolonnām līdzīgām struktūrām — tādas pašas formas, kas atrodamas dabiskajā perlamutrā. Pēc tam, lai atdarinātu proteīna līmi pērļgliemenes čaulā, pētnieki aizpilda vietas ar polimēru. Šis process ir aprakstīts tiešsaistes žurnālā Zinātne šonedēļ. Citas grupas ir izgatavojušas plānas plēves no biomimētiskiem materiāliem; Berkeley grupai ir izdevies izgatavot lielus gabalus.
Bez polimēra polsterējuma ķieģeļi būtu trausli, tāpat kā lielākā daļa keramikas. Taču polimērs ļauj ķieģeļiem līdzīgiem slāņiem slīdēt vienam pāri, kad tie tiek nospriegoti, padarot materiālu izturīgu pret lūzumiem. Patiešām, šī ķieģeļu un javas struktūra ir stingrāka nekā jebkura keramika, kas jebkad izgatavota laboratorijā. Augsta stingrība un augsta izturība parasti nav savienojamas ar keramiku, saka Ēriks Stačs , Purdjū universitātes materiālu inženieris, kurš nebija saistīts ar Bērklija darbu. Bet Bērklijā radītajai keramikai ir tikpat liela izturība un stingrība kā alumīnija sakausējumiem, ar kuriem jūs varat lidot ar lidmašīnām, saka Stach.
Lai gan viņi brīdina, ka perlamutram līdzīgā keramika ir agrīnā attīstības stadijā, Bērklija pētnieki saka, ka materiāliem vajadzētu būt iespējai izmantot keramiku, kas šķita nesasniedzama. Jūs varētu izmantot keramiku, lai izgatavotu automašīnas rāmi, nevis tēraudu, un ietaupītu degvielu, saka Ričijs. Antoni Tomsia, materiālu zinātnieks no Lawrence Berkeley laboratorijas, kurš vadīja pētījumu, saka, ka izturīga keramika, kas ir labs izolators, varētu veikt dubultu pienākumu kā strukturālie elementi energoefektīvās ēkās. Un tos var izmantot arī vieglās ložu necaurlaidīgās vestēs un transportlīdzekļu bruņās militārpersonām.
Jaunais darbs, saka materiālu zinātnieki, parāda ceļu uz priekšu izturīgiem biomimētiskiem materiāliem. Pauls Hansma , fizikas profesors Kalifornijas Universitātē Santabarbarā, darbu sauc par pārsteidzošu un saka, ka jaunās keramikas veiktspēja paaugstina latiņu šajā svarīgajā jomā.
Ričijs un Tomsija ir pārliecināti, ka var padarīt materiālu vēl labāku. Dabīgajam perlamutram ir keramikas struktūras, kas ir par vienu pakāpi mazākas nekā Bērklija materiālā, kā arī lielāka ķieģeļu un javas attiecība. Ričijs saka, ka grupa strādā pie tā, lai keramikas ķieģeļus padarītu mazākus un tuvāk viens otram, kā arī samazinātu polimēru saturu. Viņi arī eksperimentē ar dažādām javām. Tā kā jaunizveidotā keramika satur lipīgu polimēru, tā nedarbosies augstas temperatūras vidēs, piemēram, dzinēja iekšpusē. Tāpēc Bērklija pētnieki eksperimentē ar metāla pildvielām, kas var izturēt augstāku temperatūru.