@ 2015.07.17 , 13:30

仿虾壳新型复合材料,做盔甲可好?

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图片展示了生活在水下数千英尺热液喷口的某种深海虾类的外骨骼结构。研究这种材料的复合分子反应,有助于设计能够承受极端环境的新式人造盔甲。

一项新的研究揭示了某些深海虾类的外壳是如何确保它们在水下数千英尺的热液喷口生存下来的。

“居然有一种现存的生物物种可以生存在如此极端的环境之中。”普渡大学航空航天系的副教授Vikas Tomar说。“虾类是进化论的一个伟大实例,因为你可以在世界不同深度的地方找到各种各样的品种,和一系列适应环境的变化。”

他和几个博士生 - Tao Qu、Devendra Verma、Yang Zhang和Chandra Prakash一起,他们对比了深海脊盲虾和浅海点虾的外骨骼。这种深海虾生存在距离海面2000米的火山热液喷口附近,那里的温度超过了400摄氏度,相反浅海虾只生存在海洋浅层。

“我们想搞清楚进化是如何影响这两种虾类外骨骼的材料变化,使得它们能在完全不同的环境中很好的生存。”Tomar说。

研究这种材料的复合分子反应,有助于设计能够承受极端环境的新式人造盔甲。

关于这项新研究的论文于7月2日在线发布,也将会刊登在Acta Biomaterialia.杂志上。这批研究人员最近的另外两篇论文是主要是关于这种虾的外骨骼的试验。

研究者正在探索外骨骼的两个关键元素之间的标准界面传热系数:一种是蛋白质称为甲壳质,还有另一种类骨骼矿物称为方解石。这两种类型的材料 - 一种是有机和一种是无机的,它们之间的标准界面传热系数是决定外骨骼外在表现的关键。

利用实验的电子显微镜扫描和电子衍射能谱的技术,研究和分析了10份外骨骼样本,揭示了其中的结构和化学成份的细节。

这些两个物种的外骨骼都具有相同的微观结构:甲壳质、方解石和其他一些成份排列成分层的螺旋状结构,就像螺旋楼梯一样。然而,还是显示出结构中的一些不同之处:密度、厚度还有矿物质的含量。深海虾的外骨骼拥有更密集的结构。

令他们吃惊的是,研究人员发现浅海虾的外骨骼比深海虾强韧10倍。

“直观上,你会认为密集的结构会更结实,实际却恰恰相反。”托马尔说。

最新的研究在于探索甲壳质和方解石之间的标准界面传热系数,以及这些机制对于外骨骼性能的影响。这有助于确定这种结构是如何转移压力的。

结果显示深海虾的外骨骼是柔软的,但能够承受高温和极端的压力。浅海虾的外骨骼是坚硬的,有利于抵御掠食者。

“虽然拥有相同的微观结构,但它们是完全不同的材料。”Tomar说。

通过建模模拟材料相互的作用求出界面粘度,有助于更精确地对高分子陶瓷复合材料的应力应变建模。研究人员据此开发了一种“粘塑性定律”或者说数学方程式。

传统的高分子陶瓷复合材料模型的不足之处在于,该模型的关键是处于峰值强度,但是材料更有可能是由于高度的张力或者拉力而失效。

“虽然我们已经有了失效理论,但该理论是通过强度来预测的。”托马尔说。“对于这些材料来说,张力更为至关重要的,所以为了确保它们不被破坏,必须保持在某一水平下的形变。”

研究结果主要在于水在为外骨骼的分子结构提供强度上,扮演了至关重要的角色。研究人员还创建了一个“标准界面传热参数”来模拟特定组合的复合材料的可能表现,鉴于化学成份、微观结构和界面参数的类型。

本科生Milad Alucozai同时也是Acta Biomaterialia杂志的一名编辑,他是12名获得爱尔兰米切尔研究生奖学金的美国学生之一。他是普渡大学第一个米切尔奖学金获得者。

在相关研究中,该团队与维也纳技术大学合作研究胶原蛋白和人类骨骼之间的标准界面传热系数,还有骨骼随时间的形变。这项研究在4月的材料研究学会通报里进行了详细说明。这一发现可能有助于更好地模拟医疗植入物的行为。

本文译自 science daily,由译者 小松鼠 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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