211service.com
Keramik, der ikke går i stykker
Keramik er let og hårdt, men du kan ikke lave jetmotorer ud af dem, fordi de ville splintre som middagstallerkener. Så materialeforskere har forsøgt at efterligne naturlige materialer, der kombinerer styrke (et mål for modstand mod deformation) med sejhed (et mål for modstand mod brud). De har især kigget på det porøse, men modstandsdygtige materiale kaldet Nacre, der beklæder abaloneskaller. Nu har forskere udviklet en metode til fremstilling af perlemor-lignende materialer i laboratoriet. Disse nye materialer har mekaniske egenskaber svarende til metallegeringer og er den hårdeste keramik, der nogensinde er lavet. Den nye metode kan vise vejen til keramiske konstruktionsmaterialer til energieffektive bygninger og lette, men elastiske bilrammer.
Biomimik i bulk: Berkeley-forskerne lavede store stykker af den seje keramik, mens andre forskere, der efterlignede hårde naturmaterialer, kun har været i stand til at lave tynde film. En hård keramiks struktur efterligner den af abaloneskaller. Dette scanningselektronmikroskopbillede (nederst), taget under en stresstest, viser en kilde til materialets sejhed: skader er bredt fordelt i små, indesluttede revner.
Nacre, også kendt som perlemor, kombinerer plader af stærk, men skør calciumcarbonat med en blød proteinlim i en murstens-og-mørtel-struktur, der er 3.000 gange hårdere end begge bestanddele. Normalt, når videnskabsmænd laver kompositter i laboratoriet, er de resulterende materialers egenskaber gennemsnittet af deres bestanddeles egenskaber. Når naturen laver kompositter, er egenskaberne bedre, siger Robert Ritchie , formand for Department of Materials Science and Engineering ved University of California, Berkeley, som var med til at lede keramikforskningen. Det skyldes, at naturens kompositter har komplekse strukturer, som er svære at efterligne. Folk har prøvet, men kan ikke få den finhed i strukturen, siger Ritchie.
I årevis har forskere forsøgt at designe nye materialer baseret på hårde naturmaterialer som perlemor og ben. Berkeley-keramikken viser virkelig, at det kan være meget vellykket at hente vores inspiration fra naturen for at syntetisere bedre materialer, siger Julia Greer , en materialeforsker ved CalTech.
For at forme deres keramik til Nacre-lignende strukturer, skaber Berkeley-forskerne først en vandsuspension af materialet, der skal mønstres - i dette tilfælde aluminiumoxid. Så afkøler de det på en meget kontrolleret måde. Man tager varmen ud i den ene ende, forklarer Ritchie. Dette fører til lange, tynde strukturer, som forskerne presser ind i mikroskala, murstenslignende strukturer efter at have opvarmet dem for at fordampe vandet. Når denne proces gentages, skaber den en lagdelt, porøs struktur af aluminiumoxidmursten, der er forbundet med hinanden af søjlelignende strukturer - de samme former, der findes i naturlig perlemor. Derefter, for at efterligne proteinlimen i abalonskallen, fylder forskerne rummene med en polymer. Denne proces er beskrevet online i journalen Videnskab denne uge. Andre grupper har lavet tynde film af biomimetiske materialer; det er lykkedes Berkeley-gruppen at lave store stykker.
Uden polstring af polymeren ville murstenene være skøre som de fleste keramik. Men polymeren tillader de murstenslignende lag at glide over hinanden, når de bliver belastet, hvilket gør materialet modstandsdygtigt over for brud. Faktisk er denne mursten og mørtel struktur hårdere end nogen keramik, der nogensinde er lavet i laboratoriet. Høj sejhed og høj styrke er normalt uforenelige i en keramik, siger Erik Stach , en materialeingeniør ved Purdue University, som ikke var involveret i Berkeley-arbejdet. Men den keramik, der er skabt på Berkeley, har lige så meget styrke og sejhed som aluminiumslegeringer, som man kan flyve fly med, siger Stach.
Selvom de advarer om, at den perlemor-lignende keramik er i deres tidlige udviklingsstadier, siger Berkeley-forskerne, at materialerne burde muliggøre anvendelser af keramik, der har virket uopnåelige. Man kunne bruge keramik til at lave en bils stel i stedet for stål og spare brændstof, siger Ritchie. Antoni Tomsia, en materialeforsker ved Lawrence Berkeley Laboratory, der var med til at lede forskningen, siger, at hård keramik, som er gode isolatorer, kunne fungere dobbelt som strukturelle elementer i energieffektive bygninger. Og de kan også bruges i lette skudsikre veste og køretøjsrustninger til militæret.
Det nye arbejde, siger materialeforskere, viser vejen frem for hårde biomimetiske materialer. Paul Hansma , professor i fysik ved University of California i Santa Barbara, kalder arbejdet forbløffende og siger, at ydeevnen af den nye keramik hæver barren på dette vigtige område.
Ritchie og Tomsia er sikre på, at de kan gøre materialet endnu bedre. Naturlig perlemor har keramiske strukturer en størrelsesorden mindre end dem i Berkeley-materialet, samt et højere forhold mellem mursten og mørtel. Ritchie siger, at gruppen arbejder på at gøre de keramiske mursten mindre og tættere sammen og reducere polymerindholdet. De eksperimenterer også med forskellige mørtler. Fordi den nyudviklede keramik indeholder en klistret polymer, ville den fejle i højtemperaturmiljøer som inde i en motor. Så Berkeley-forskerne eksperimenterer med metalfyldstoffer, som kan modstå højere temperaturer.