Le chercheur postdoctoral Zian Jia examine un modèle imprimé en 3D de la microstructure de l'os de seiche. Crédit :Peter Means pour Virginia Tech.
Ling Li a une leçon dans l'un de ses cours de génie mécanique sur le comportement des matériaux fragiles comme le carbonate de calcium sous contrainte. Dedans, il prend un morceau de craie composé du composé et le coupe en deux pour montrer à ses élèves le bord de l'un des morceaux cassés. La cassure est franche et droite.
Puis, il tord un deuxième morceau, ce qui se traduit par des éclats plus tranchants brisés à un angle de 45 degrés, indiquant la direction la plus dangereuse de la contrainte de traction sur la craie. La craie brisée aide Li à démontrer ce que le carbonate de calcium fragile fera sous des forces normales :il a tendance à se fracturer.
"Si vous le pliez, ça va casser, " dit Li.
Dans le Laboratoire de Li pour les Matériaux Biologiques et Bio-Inspirés, de nombreux animaux océaniques qu'il étudie pour leurs matériaux structurels biologiques ont des parties en carbonate de calcium. Certains mollusques l'utilisent dans des cristaux photoniques qui créent un affichage aux couleurs vives, "comme les ailes d'un papillon, " dit Li. D'autres ont des yeux minéraux construits avec, dans leurs coquilles. Plus Li étudie ces animaux, plus il est émerveillé par les utilisations que leurs corps trouvent pour des matériaux intrinsèquement cassants et fragiles. Surtout quand l'usage défie cette fragilité.
Dans une étude publiée par Actes de l'Académie nationale des sciences , L'équipe de recherche de Li s'est concentrée sur la seiche, un autre de ceux inventifs, animaux construits à la craie et un voyageur des profondeurs de l'océan. Les chercheurs ont étudié la microstructure interne de l'os de seiche, la coquille interne très poreuse du mollusque, et trouvé que la microstructure est unique, la conception "mur-septa" chambrée optimise l'os de seiche pour être extrêmement léger, rigide, et tolérant aux dommages. Leur étude aborde les stratégies de conception de matériaux sous-jacents qui confèrent à l'os de seiche ces propriétés mécaniques de haute performance, malgré la composition de la coquille principalement d'aragonite cassante, une forme cristalline de carbonate de calcium.
Ling Li, professeur adjoint au Département de génie mécanique du Collège d'ingénierie, détient un échantillon d'os de seiche. Crédit :Peter Means pour Virginia Tech
Dans l'océan, la seiche utilise l'os de seiche comme réservoir de flottabilité dur pour contrôler son mouvement de haut en bas de la colonne d'eau, à des profondeurs aussi basses que 600 mètres. L'animal ajuste le rapport gaz/eau dans ce réservoir pour flotter vers le haut ou couler. Pour servir cet objectif, la coque doit être légère et poreuse pour un échange fluide actif, mais suffisamment rigide pour protéger le corps de la seiche de la forte pression de l'eau lorsqu'elle plonge plus profondément. Lorsque l'os de seiche est écrasé par la pression ou par la morsure d'un prédateur, il doit être capable d'absorber beaucoup d'énergie. De cette façon, les dommages restent dans une zone localisée de la coque, plutôt que de briser tout l'os de seiche.
La nécessité d'équilibrer toutes ces fonctions est ce qui rend l'os de seiche si unique, L'équipe de Li a découvert, alors qu'ils examinaient la microstructure interne de la coque.
doctorat l'étudiant et co-auteur de l'étude, Ting Yang, a utilisé la tomographie par micro-ordinateur synchrotron pour caractériser la microstructure de l'os de seiche en 3D, pénétrer dans la coque avec un puissant faisceau de rayons X du Laboratoire national d'Argonne pour produire des images à haute résolution. Elle et l'équipe ont observé ce qu'il advenait de la microstructure de la coque lorsqu'elle était compressée en appliquant la méthode de tomographie in situ lors d'essais mécaniques. En combinant ces étapes avec la corrélation d'images numériques, qui permet la comparaison d'images image par image, ils ont étudié la déformation complète et les processus de fracture de l'os de seiche sous charge.
Leurs expériences ont révélé plus sur la microstructure chambrée «mur-septa» de l'os de seiche et sa conception pour un poids optimisé, raideur, et la tolérance aux dommages.
Un échantillon en forme de cube isolé à partir d'os de seiche est placé dans un testeur mécanique pour les mesures de compression. Crédit :Peter Means pour Virginia Tech
La conception sépare l'os de seiche en chambres individuelles avec des sols et des plafonds, ou "septa, " soutenus par des " murs " verticaux. D'autres animaux, comme les oiseaux, avoir une structure similaire, connue sous le nom de structure sandwich. Avec une couche d'os dense au-dessus d'une autre et des entretoises verticales entre les deux pour le soutien, la structure est rendue légère et rigide. Contrairement à la structure sandwich, cependant, la microstructure de l'os de seiche a plusieurs couches - ces chambres - et elles sont soutenues par des murs ondulés au lieu d'entretoises droites. L'ondulation augmente le long de chaque mur du sol au plafond dans un «gradient d'ondulation».
"La morphologie exacte que nous n'avons pas vue, au moins dans d'autres modèles, " a déclaré Li à propos de la conception. Cette conception à cloisons permet à l'os de seiche de contrôler où et comment les dommages se produisent dans la coque. plutôt que catastrophique, échec :lors de la compression, les chambres tombent en panne une par une, progressivement plutôt qu'instantanément.
Les chercheurs ont découvert que les parois ondulées de l'os de seiche induisaient ou contrôlaient la formation de fractures au milieu des parois, plutôt qu'au sol ou au plafond, ce qui entraînerait l'effondrement de toute la structure. Lorsqu'une chambre subit une fracture de la paroi et une densification ultérieure - dans laquelle les parois fracturées se compactent progressivement dans la chambre endommagée - la chambre adjacente reste intacte jusqu'à ce que les pièces fracturées pénètrent dans ses sols et ses plafonds. Au cours de ce processus, une quantité importante d'énergie mécanique peut être absorbée, Li a expliqué, limiter l'impact extérieur.
L'équipe de Li a exploré plus avant le potentiel de haute performance de la microstructure de l'os de seiche avec la modélisation informatique. En utilisant des mesures de la microstructure faites avec la tomographie 3D précédente, le chercheur postdoctoral Zian Jia a construit un modèle paramétrique, a effectué des tests virtuels qui ont modifié l'ondulation des murs de la structure, et observé comment la coquille a fonctionné en conséquence.
"Nous savons que l'os de seiche a ces murs ondulés avec un dégradé, " dit Li. " Zian a changé le gradient afin que nous puissions apprendre comment se comportait l'os de seiche si nous allions au-delà de cette morphologie. Est-ce mieux, ou pas? Nous montrons que l'os de seiche se trouve à un endroit optimal. Si l'ondulation devient trop importante, la structure est moins rigide. Si les vagues deviennent plus petites, la structure devient plus fragile. L'os de seiche semble avoir trouvé un endroit idéal, pour équilibrer la rigidité et l'absorption d'énergie."
Li voit des applications pour la conception microstructurale de l'os de seiche dans les mousses céramiques. Parmi les mousses utilisées pour la résistance à l'écrasement ou l'absorption d'énergie dans les emballages, transport, et infrastructures, les matériaux polymères et métalliques sont les choix les plus populaires. Les mousses céramiques sont rarement utilisées car elles sont cassantes, dit Li. Mais les céramiques ont leurs propres avantages :elles sont plus stables chimiquement et ont une température de fusion élevée.
Si les propriétés de l'os de seiche pouvaient être appliquées aux mousses céramiques, leur capacité à résister à une chaleur élevée associée à une nouvelle tolérance aux dommages pourraient rendre les mousses céramiques idéales pour une utilisation comme unités de protection thermique dans les navettes spatiales ou comme protection thermique générale, Li croit. Son équipe a évalué cette application dans une étude distincte.
Bien que l'équipe ait déjà commencé à regarder de la mer au ciel les possibilités qu'inspire l'os de seiche, leur étude des stratégies fondamentales de conception de la coque est tout aussi importante pour Li.
« La nature fabrique beaucoup de matériaux de structure, ", a déclaré Li. "Ces matériaux sont fabriqués à température ambiante et à pression atmosphérique régulière, contrairement aux métaux, ce qui peut être préjudiciable à l'environnement à produire - vous devez utiliser des températures élevées et des processus de réfraction pour les métaux.
"Nous sommes intrigués par de telles différences entre les matériaux structurels biologiques et les matériaux structurels d'ingénierie. Pouvons-nous combler ces deux et fournir des informations sur la fabrication de nouveaux matériaux structurels?"
