L'étudiant diplômé Zhifei Deng effectue des tests nanomécaniques sur un nanoindenteur. Crédit :Virginia Tech
Ling Li, professeur assistant en génie mécanique à Virginia Tech, a trouvé des informations sur la construction de céramiques plus solides et plus résistantes en étudiant les coquilles de mollusques bivalves.
Cette perspective est formée en regardant la capacité des briques minérales de base de la coque à anticiper les fractures, au lieu de se concentrer uniquement sur la forme et la chimie de la structure. Les résultats des découvertes de son groupe ont été publiés dans le 10 novembre 2020, problème de Communication Nature .
L'équipe de Li a mené une analyse approfondie des structures microscopiques des coquilles de mollusques à coquille de plume, bivalves originaires des Caraïbes. Les coquilles de ces animaux se composent de deux couches, une couche interne de nacre et une couche externe de couleur brune. La couche intérieure de nacre, également connu sous le nom de nacre, est souvent irisé en raison de sa structure de stratification nanoscopique régulière, similaire au mécanisme de coloration de nombreuses ailes de mouches des bouteilles.
L'équipe de Li a concentré son attention sur la couche externe, qui est composé de cristaux de calcite en forme de prisme disposés en mosaïque. Entre les cristaux minéraux adjacents, très fin (environ 0,5 micromètre, moins d'un centième de la taille d'un cheveu humain) des interfaces organiques sont présentes qui collent les cristaux ensemble. Les cristaux de calcite mesurent environ un demi-millimètre de longueur et 50 micromètres de diamètre, ressemblant à des prismes allongés.
Contrairement à de nombreux cristaux géologiques ou synthétiques, où les atomes au sein de leurs grains cristallins sont parfaitement disposés de façon périodique, les cristaux de calcite dans les coquilles des stylos contiennent de nombreux défauts nanoscopiques, principalement composé de substances organiques.
Micrographies électroniques à balayage des cristaux de calcite biologiques (à gauche) et géologiques (à droite) après qu'ils aient été indentés avec une pointe de diamant pointue sous la même force (0,5 N). Notez que le modèle de dommages dans les cristaux de calcite biologique trouvés dans les coquilles de stylo est très localisé et beaucoup plus petit que celui de la calcite géologique (environ 40 m contre 100 μm). Crédit :Virginia Tech
"Vous pouvez considérer la céramique biologique, dans ce cas les cristaux de calcite des coquilles de stylo, en tant que structure composite, où de nombreuses inclusions nanométriques sont réparties au sein de sa structure cristalline, " a déclaré Li. " Ceci est particulièrement remarquable car le cristal de calcite lui-même est toujours un cristal unique. "
Normalement, la présence de défauts structurels signifie un site de défaillance potentielle. C'est pourquoi l'approche normale consiste à minimiser les discontinuités structurelles ou les concentrations de contraintes dans les ouvrages d'art. Cependant, L'équipe de Li montre que la taille, espacement, géométrie, orientation, et la distribution de ces défauts à l'échelle nanométrique au sein du biominéral est hautement contrôlée, améliorer non seulement la résistance structurelle mais aussi la tolérance aux dommages grâce à une fissuration et une rupture contrôlées.
Lorsque ces coquilles sont soumises à une force extérieure, le cristal minimise la plastification en empêchant le mouvement de dislocation, un mode commun de déformation plastique dans la calcite pure, aidé par ces défauts nanoscopiques internes. Ce mécanisme de renforcement a été appliqué dans de nombreux alliages métalliques structurels, comme l'alliage d'aluminium.
En plus d'ajouter de la force, cette conception permet à la structure d'utiliser ses modèles de fissures pour minimiser les dommages dans la coque interne. Le motif de verrouillage semblable à une mosaïque des cristaux de calcite dans la couche de prisme contient en outre des dommages à grande échelle lorsque la force externe est répartie sur les cristaux individuels. La structure est capable de se fissurer pour dissiper l'énergie de chargement externe sans défaillance.
"Il est clair que ces défauts nanoscopiques ne sont pas une structure aléatoire, mais plutôt, jouer un rôle important dans le contrôle des propriétés mécaniques de cette céramique naturelle, " a déclaré Li. " Grâce aux mécanismes découverts dans cette étude, l'organisme transforme vraiment la calcite initialement faible et cassante en une armure biologique solide et durable. Nous expérimentons maintenant un éventuel traitement de fabrication, comme l'impression 3D, pour mettre en œuvre ces stratégies pour développer des composites céramiques aux propriétés mécaniques améliorées pour des applications structurelles. »
