p Ling Li tem uma aula em um de seus cursos de engenharia mecânica sobre como materiais frágeis como o carbonato de cálcio se comportam sob estresse. Iniciar, ele pega um pedaço de giz composto do composto e o quebra ao meio para mostrar aos alunos a borda de uma das peças quebradas. A quebra é direta e direta. p Então, ele torce uma segunda peça, o que resulta em fragmentos mais nítidos quebrados em um ângulo de 45 graus, indicando a direção mais perigosa da tensão de tração no giz. O giz quebrado ajuda Li a demonstrar o que o carbonato de cálcio quebradiço fará sob forças normais:ele tende a se quebrar.

p "Se você dobrar, vai quebrar, "Li disse.

p No Laboratório de Materiais Biológicos e Bioinspirados de Li, muitos dos animais marinhos que ele estuda por seus materiais estruturais biológicos têm partes feitas de carbonato de cálcio. Alguns moluscos o usam em cristais fotônicos que criam uma tela de cores vivas, "como as asas de uma borboleta, "Li disse. Outros têm olhos minerais construídos com ele, em suas conchas. Quanto mais Li estuda esses animais, mais ele fica surpreso com os usos que seus corpos encontram para materiais intrinsecamente quebradiços e frágeis. Especialmente quando o uso desafia essa fragilidade.

p Em um estudo publicado por Proceedings of the National Academy of Sciences , A equipe de pesquisa de Li se concentrou no choco, outro daqueles inventivos, animais feitos de giz e um viajante das profundezas do oceano. Os pesquisadores investigaram a microestrutura interna do osso de boi, a casca interna altamente porosa do molusco, e descobri que a microestrutura é única, o design de "parede-septos" compartimentado otimiza o cuttlebone para ser extremamente leve, rígido, e tolerante a danos. O estudo aborda as estratégias de design de material subjacentes que dão à cuttlebone essas propriedades mecânicas de alto desempenho, apesar da composição da casca principalmente de aragonita quebradiça, uma forma cristalina de carbonato de cálcio.

p No Oceano, o choco usa o choco como um tanque de flutuabilidade rígido para controlar seu movimento para cima e para baixo na coluna de água, a profundidades tão baixas quanto 600 metros. O animal ajusta a proporção de gás para água naquele tanque para flutuar para cima ou afundar. Para servir a este propósito, o invólucro deve ser leve e poroso para a troca ativa de fluidos, no entanto, é rígido o suficiente para proteger o corpo do choco da forte pressão da água à medida que ele mergulha mais fundo. Quando o osso de boi é esmagado pela pressão ou pela mordida de um predador, tem que ser capaz de absorver muita energia. Dessa maneira, o dano fica em uma área localizada da casca, em vez de estilhaçar todo o osso de boi.

p A necessidade de equilibrar todas essas funções é o que torna o cuttlebone tão único, A equipe de Li descobriu, enquanto examinavam a microestrutura interna da casca.

p Ph.D. o aluno e co-autor do estudo Ting Yang usou tomografia computadorizada baseada em síncrotron para caracterizar a microestrutura do osso de boi em 3-D, penetrar na casca com um poderoso feixe de raios-X do Laboratório Nacional de Argonne para produzir imagens de alta resolução. Ela e a equipe observaram o que aconteceu com a microestrutura da casca quando ela foi comprimida aplicando o método de tomografia in situ durante os testes mecânicos. Combinando essas etapas com correlação de imagem digital, que permite a comparação de imagens quadro a quadro, eles estudaram a deformação total e os processos de fratura do cuttlebone durante o carregamento.

p Seus experimentos revelaram mais sobre a microestrutura compartimentada de 'septo de parede' do cuttlebone e seu projeto para peso otimizado, rigidez, e tolerância a danos.

p O design separa cuttlebone em câmaras individuais com pisos e tetos, ou "septos, "suportado por" paredes verticais. "Outros animais, como pássaros, têm uma estrutura semelhante, conhecida como estrutura em sanduíche. Com uma camada de osso denso em cima de outra e escoras verticais entre elas para suporte, a estrutura é leve e rígida. Ao contrário da estrutura em sanduíche, Contudo, A microestrutura do cuttlebone tem várias camadas - essas câmaras - e são sustentadas por paredes onduladas em vez de suportes retos. A ondulação aumenta ao longo de cada parede do chão ao teto em um 'gradiente de ondulação'.

p "A morfologia exata que não vimos, pelo menos em outros modelos, "disse Li sobre o projeto. Este projeto de septos de parede dá controle de osso de boi de onde e como os danos ocorrem na casca. Ele permite gracioso, ao invés de catastrófico, falha:quando comprimido, as câmaras falham uma por uma, progressivamente, em vez de instantaneamente.

p Os pesquisadores descobriram que as paredes onduladas do osso de choco induzem ou controlam a formação de fraturas no meio das paredes, em vez de pisos ou tetos, o que causaria o colapso de toda a estrutura. À medida que uma câmara sofre fratura de parede e subsequente densificação - na qual as paredes fraturadas se compactam gradualmente na câmara danificada - a câmara adjacente permanece intacta até que as peças fraturadas penetrem em seus pisos e tetos. Durante este processo, uma quantidade significativa de energia mecânica pode ser absorvida, Li explicou, limitar o impacto externo.

p A equipe de Li explorou ainda mais o potencial de alto desempenho da microestrutura do cuttlebone com modelagem computacional. Usando medições da microestrutura feitas com a tomografia 3-D anterior, o pesquisador de pós-doutorado Zian Jia construiu um modelo paramétrico, executei testes virtuais que alteraram a ondulação das paredes da estrutura, e observou como o shell funcionou como resultado.

p "Sabemos que o osso de boi tem essas paredes onduladas com gradiente, - disse Li. - Zian mudou o gradiente para que pudéssemos aprender como o osso de boi se comportava se formos além dessa morfologia. É melhor, ou não? Mostramos que o osso de boi fica em um local ideal. Se a ondulação ficar muito grande, a estrutura é menos rígida. Se as ondas ficarem menores, a estrutura se torna mais frágil. Choco parece ter encontrado um ponto ideal, para equilibrar a rigidez e a absorção de energia. "

p Li vê aplicações para design microestrutural de cuttlebone em espumas de cerâmica. Entre as espumas usadas para resistência ao esmagamento ou absorção de energia em embalagens, transporte, e infraestrutura, polímeros e materiais metálicos são as escolhas mais populares. As espumas cerâmicas raramente são usadas porque são quebradiças, Li disse. Mas as cerâmicas têm suas próprias vantagens exclusivas - são mais estáveis ​​quimicamente e têm uma alta temperatura de fusão.

p Se as propriedades do cuttlebone pudessem ser aplicadas a espumas de cerâmica, sua capacidade de suportar altas temperaturas em conjunto com a recém-descoberta tolerância a danos pode tornar as espumas de cerâmica ideais para uso como unidades de proteção térmica em ônibus espaciais ou como proteção térmica geral, Li acredita. Sua equipe está avaliando esse aplicativo em um estudo separado.

p Embora a equipe já tenha começado a olhar do mar para o céu para as possibilidades que a cuttlebone inspira, seu estudo das estratégias fundamentais de design da concha é igualmente importante para Li.

p “A natureza fabrica muitos materiais estruturais, "Li disse." Esses materiais são feitos em temperatura ambiente e pressão atmosférica regular, ao contrário dos metais, o que pode ser prejudicial ao meio ambiente para produzir - você precisa usar altas temperaturas e processos de refração para metais.

p "Estamos intrigados com essas diferenças entre materiais estruturais biológicos e materiais estruturais projetados. Podemos unir esses dois e fornecer insights sobre como fazer novos materiais estruturais?"