مواد بیولوژیکی می توانند پانچ بگیرند

برخی از نوآورانه ترین و مفیدترین اختراعات بوده است با الهام از طبیعتبشر قطار گلوله Shinkansen را در ژاپن بگیرید ، که طراحی آیرودینامیکی آن پس از پرنده Kingfisher مدل شده است. یا Velcro ، که یک مهندس سوئیسی پس از مشاهده اینکه آرومهایی که به خز سگ می چسبند ، قلاب های ریز و درشتی در آنها دارند.

اکنون دانشمندان برای الهام بخش به یک شکارچی زیر آب کوچک روی آورده اند. در میگو یک بی مهرگان رنگارنگ است که یک مشت قدرتمند را بسته بندی می کند. این می تواند صدف را با نیروی یک گلوله کالیبر .22، به لطف ساختارهای منحصر به فرد که اسکلت اسکلت آن را به طرز حیرت انگیزی قوی می کند.

محققان انستیتوی ملی استاندارد و فناوری (NIST) نسخه های مصنوعی از این ساختارها را تهیه کرده و عملکرد تأثیر آنها را با انفجار ریزگردها در آنها آزمایش کرده اند. آنها دریافتند که تنظیم پارامترهای خاص سازه ها نحوه جذب و از بین بردن انرژی ضربه را تغییر داده است.

ادوین چان ، مهندس تحقیقات مواد NIST گفت: “نتایج و بینش این تحقیق ، پیشرفت مهمی در طراحی مواد بیولوژیکی با کاربردهای هوافضا ، مانند کمک به فضاپیما در زنده ماندن از تأثیر میکرومتوروئیدها و محافظت از ماهواره های مدار که با زباله ها همراه هستند ، نشان می دهد.”

سایر کاربردهای بالقوه شامل شیشه های مقاوم در برابر گلوله ها ، مصالح ساختمانی مقاوم در برابر انفجار و کلاه ایمنی بیشتر است.

چان و همکارانش یافته های خود را در مجموعه مقالات آکادمی ملی علومبشر

این ایده تحقیق از سوژین لی ، که به عنوان یک شورای تحقیقات ملی (NRC) همکار فوق دکترا به NIST آمد. لی می خواست بفهمد که چرا زائده میگو مانتیس شکسته نشد زیرا پوسته های موجودات دیگر را خرد کرد. چان همچنین تحت تأثیر این مفهوم قرار گرفت و این دو برای یافتن این پروژه یک پروژه تحقیقاتی ایجاد کردند.

چان گفت: “وقتی شخصی کسی را مشت می کند ، دست آنها درد می کند ، اما با میگو مانتیس ، اینطور نیست.” یا به نظر نمی رسد ، به هر حالبشر لی و چان قبلاً می دانستند که این مربوط به میکروسکوپی “ساختارهای بولیگاند” در اسکلت میگو است.

چان گفت: “ساختارهای بولیگاند یک بستر جهانی برای مقاومت در برابر ضربه در طبیعت است و ما می خواستیم در مورد آنها اطلاعات بیشتری کسب کنیم ، بنابراین آنها را در آزمایشگاه تولید و آزمایش کردیم.”

لی و چان ساختارها را از نانوکریستال های سلولز ، که در الیاف گیاهی یافت می شوند ، سنتز کردند. نانوکریستال ها به صورت خود به صفحات مونتاژ می شوند ، که مانند پشته های چرخان تخته سه لا در بالای یکدیگر قرار گرفته اند.

این پشته ها ساختارهای بولیگاند مصنوعی خود را تشکیل دادند. حرفEsearchers سپس کریستال ها را با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا اصلاح کردند قبل از مونتاژ آنها به فیلم های نازک که به عنوان مواد آزمایشی آنها عمل می کردند.

در مرحله بعد ، آنها با شلیک میکروپروژیل ها در سرعت تا حداکثر ، مقاومت در برابر ضربه فیلم های نازک را آزمایش کردند 600 متر در ثانیهبشر ریزگردها ، ساخته شده از سیلیس ، توسط یک لیزر با شدت بالا به سمت هدف خود حرکت کردند. محققان تصاویری از ریزگردها را که بر روی فیلم های نازک با دوربین Ultrafast تأثیر می گذارد ، ضبط کردند.

میکروپروژکتیل ضربه زدن به فیلم CNC

بر اساس این تصاویر ، محققان مشاهده کردند که یک میکروپروژیل می تواند یک تورفتگی دائمی را ترک کند و در عین حال مانند یک توپ تنیس که به زمین برخورد می کند ، عقب می رود. میزان تورفتگی و میزان بازگشت به عقب بستگی به چگونگی از بین رفتن یا گسترش انرژی در امواج شوک پس از تأثیر میکروپروژک دارد.

محققان دریافتند که آنها می توانند نحوه تنظیم انرژی با تنظیم دقیق عوامل مختلفی که بر خصوصیات مکانیکی نمونه تأثیر می گذارد ، تنظیم کنند ، مانند ضخیم تر شدن نانوکریستالها یا تغییر چگالی آنها. آنها دریافتند که ریزگردها در فیلم های نازک تر تورفتگی های دائمی باقی مانده اند ، اما فیلم های ضخیم تر در تغییر مسیر موج های شوک از ضربه.

NIST در این پروژه به عنوان بخشی از مأموریت خود برای تدوین روشهای پیشرفته اندازه گیری که می تواند برای صنعت ایالات متحده مفید باشد ، کار کرد. محققان می توانند از روشهای اندازه گیری توسعه یافته برای این پروژه برای توسعه بیشتر مواد مقاوم در برابر ضربه بر اساس ساختارهای بولیگاند و همچنین انواع دیگر مواد پیشرفته با خصوصیات خاص استفاده کنند.