211service.com
Keramika, která se nerozbije
Keramika je lehká a tvrdá, ale nelze z ní vyrobit proudové motory, protože by se rozbily jako talíře. Materiáloví vědci se tedy pokoušeli napodobit přírodní materiály, které kombinují pevnost (míra odolnosti vůči deformaci) s houževnatostí (míra odolnosti vůči lomu). Zejména se podívali na porézní, ale pružný materiál zvaný perleť, který lemuje lastury ušňů. Nyní výzkumníci vyvinuli metodu pro výrobu materiálů podobných perleti v laboratoři. Tyto nové materiály mají mechanické vlastnosti podobné slitinám kovů a jsou nejtvrdší keramikou, která kdy byla vyrobena. Nová metoda by mohla vést ke keramickým konstrukčním materiálům pro energeticky účinné budovy a lehké, ale odolné rámy automobilů.
Biomimikry ve velkém: Vědci z Berkeley vyrobili velké kusy houževnaté keramiky, zatímco jiní vědci napodobující houževnaté přírodní materiály dokázali vytvořit pouze tenké filmy. Struktura houževnaté keramiky napodobuje strukturu mušlí. Tento snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu (dole), pořízený během zátěžového testu, ukazuje jeden zdroj houževnatosti materiálu: poškození je široce distribuováno v malých uzavřených trhlinách.
Perleť, známá také jako perleť, kombinuje pláty pevného, ale křehkého uhličitanu vápenatého s měkkým proteinovým lepidlem ve struktuře cihly a malty, která je 3000krát tvrdší než obě složky. Obvykle, když vědci vyrábějí kompozity v laboratoři, vlastnosti výsledných materiálů jsou průměrem vlastností jejich složek. Když příroda vyrábí kompozity, vlastnosti jsou lepší, říká Robert Ritchie , předseda katedry materiálových věd a inženýrství na Kalifornské univerzitě v Berkeley, který spoluvedl výzkum keramiky. Je to proto, že přírodní kompozity mají složité struktury, které je obtížné napodobit. Lidé to zkoušeli, ale nemohou získat takovou jemnost struktury, říká Ritchie.
Po celá léta se vědci pokoušeli navrhnout nové materiály založené na tvrdých přírodních materiálech, jako je perleť a kost. Keramika z Berkeley skutečně ukazuje, že čerpání inspirace z přírody za účelem syntézy lepších materiálů může být velmi úspěšné, říká Julia Greerová , materiálový vědec ve společnosti CalTech.
Aby vědci z Berkeley vytvarovali svou keramiku do struktur podobných perleti, nejprve vytvořili vodní suspenzi materiálu, který má být vzorován – v tomto případě oxid hlinitý. Pak to velmi kontrolovaně zchladí. Teplo odeberete na jednom konci, vysvětluje Ritchie. To vede k dlouhým, tenkým strukturám, které výzkumníci po zahřátí, aby se odpařila voda, lisovali do mikroměřítek, cihlovitých struktur. Když se tento proces opakuje, vytváří vrstvenou, porézní strukturu cihel z oxidu hlinitého, které jsou navzájem spojeny sloupovitými strukturami – stejnými tvary, jaké se vyskytují v přírodní perleti. Poté, aby napodobili proteinové lepidlo ve skořápce ušňů, vědci vyplní prostory polymerem. Tento proces je popsán online v časopise Věda tento týden. Jiné skupiny vytvořily tenké filmy z biomimetických materiálů; skupině Berkeley se podařilo vyrobit velké kusy.
Bez vycpávky polymerem by cihly byly křehké jako většina keramiky. Ale polymer umožňuje vrstvám podobným cihlám klouzat po sobě, když jsou namáhány, čímž je materiál odolný vůči lomům. Tato stavba z cihel a malty je skutečně odolnější než jakákoli keramika, která byla kdy vyrobena v laboratoři. Vysoká houževnatost a vysoká pevnost jsou obvykle v keramice neslučitelné, říká Erik Stach , materiálový inženýr na Purdue University, který nebyl zapojen do práce v Berkeley. Ale keramika vytvořená v Berkeley má stejnou pevnost a houževnatost jako hliníkové slitiny, se kterými můžete létat s letadly, říká Stach.
Ačkoli varují, že keramika podobná perleťové keramikě je v raných fázích vývoje, vědci z Berkeley tvrdí, že materiály by měly umožnit použití keramiky, která se zdála nedosažitelná. Můžete použít keramiku k výrobě rámu auta místo oceli a ušetřit palivo, říká Ritchie. Antoni Tomsia, materiálový vědec z Lawrence Berkeley Laboratory, který spoluvedl výzkum, říká, že houževnatá keramika, která je dobrými izolanty, by mohla plnit dvojí funkci jako konstrukční prvky v energeticky účinných budovách. A mohou být také použity v lehkých neprůstřelných vestách a brnění vozidel pro armádu.
Nová práce, říkají materiáloví vědci, ukazuje cestu vpřed pro houževnaté biomimetické materiály. Paul Hansma , profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, nazývá práci úžasnou a říká, že výkon nové keramiky zvedá laťku v této důležité oblasti.
Ritchie a Tomsia jsou přesvědčeni, že mohou materiál ještě vylepšit. Přírodní perleť má keramické struktury o řád menší než ty v materiálu Berkeley a také vyšší poměr cihel k maltě. Ritchie říká, že skupina pracuje na tom, aby byly keramické cihly menší a blíže k sobě a na snížení obsahu polymeru. Také experimentují s různými malty. Protože nově vyvinutá keramika obsahuje lepivý polymer, selhala by v prostředí s vysokou teplotou, jako je vnitřek motoru. Vědci z Berkeley tedy experimentují s kovovými výplněmi, které snesou vyšší teploty.