«Чем больше мы изучаем клуб этого крошечного ракообразного, тем больше понимаем, что его структура может улучшить многие вещи, которые мы используем каждый день», — сказал Дэвид Кисайлус, научный сотрудник Национальной академии наук Кавли и кафедры энергетики Уинстона Чанга. Инновации в инженерном колледже Борнса Калифорнийского университета в Риверсайде.Креветка-богомол, или стоматопод, представляет собой ракообразного цвета радуги длиной от 4 до 6 дюймов с дубинкой в виде кулака, которая ускоряется под водой быстрее, чем пуля калибра 22. Исследователи во главе с Кисайлусом, доцентом химического машиностроения, заинтересованы в клубе, потому что он может наносить удары по добыче тысячи раз, не ломаясь.
Сила, создаваемая ударом дубинки креветки-богомола, более чем в 1000 раз превышает его собственный вес. Он настолько мощный, что Кисайлусу нужно держать животное в специальном аквариуме в своей лаборатории, чтобы оно не разбило стекло.
Кроме того, ускорение клюшки создает кавитацию, то есть она срезает воду, буквально кипятя ее, образуя кавитационные пузыри, которые лопаются, оказывая вторичное воздействие на добычу креветок-богомолов.Предыдущая работа исследователей, опубликованная в журнале Science в 2012 году, показала, что клуб состоит из нескольких регионов, включая область эндокутикулы.
Эта область характеризуется спиралевидным расположением слоев минерализованных волокон, которые действуют как амортизаторы. Каждый слой поворачивается на небольшой угол от слоя ниже, чтобы в конечном итоге завершить поворот на 180 градусов.В статье «Био-Вдохновленные ударопрочные композиты», только что опубликованной в журнале Acta Biomaterialia, исследователи применили спиралевидную или геликоидальную слоистую конструкцию при создании композитов из углеродного волокна и эпоксидной смолы. Композиты с такой конструктивной структурой могут использоваться для множества применений, включая аэрокосмические и автомобильные рамы, бронежилеты и футбольные шлемы.
В экспериментах, описанных в статье, исследователи создали композиты из углеродного волокна и эпоксидной смолы со слоями, расположенными под тремя различными углами геликоидальной формы в диапазоне от 10 до 25 градусов.Они также построили две управляющие структуры: однонаправленную, означающую, что слои были размещены непосредственно сверху и параллельно друг другу, и квазиизотропную, стандарт, используемый в аэрокосмической промышленности, которая имеет чередующиеся слои, уложенные друг на друга с ориентацией 0 градусов (первый слой), -45 градусов (второй слой), +45 градусов (третий слой), 90 градусов (четвертый слой) и так далее.Цель состояла в том, чтобы изучить ударопрочность и поглощение энергии геликоидальными структурами при ударе и количественно оценить прочность после удара.
Исследователи использовали систему испытания на удар падающим грузом со сферическим наконечником, который при ударе создает 100 джоулей энергии в USC со своим сотрудником, профессором Стивеном Р. Наттом. Это повторяет испытания, проведенные авиационной промышленностью.
После испытаний они измерили внешнее визуальное повреждение, глубину вмятины и внутреннее повреждение с помощью ультразвукового сканирования.В категории внешних повреждений однонаправленные образцы разделились и полностью разрушились. Квазиизотропные образцы были проколоты с обратной стороны и имели значительные повреждения волокна. Хотя геликоидальные образцы показали некоторое расщепление волокон, они не были проколоты полностью.
Фактически, повреждение глубины вмятины для всех геликоидальных образцов было на 20-50% меньше, чем у квазиизотропных образцов.Ультразвуковые испытания показали, что в случае геликоидальных образцов повреждение распространяется латерально внутри конструкции, а не разрушается катастрофически, как это происходило в квазиизотропных образцах.Затем исследователи сжали образцы до тех пор, пока они не сломались.
Их результаты показали, что геликоидальные образцы в целом показали значительное увеличение, примерно на 15-20 процентов, остаточной прочности после удара по сравнению с квазиизотропными образцами.Работа по моделированию методом конечных элементов, выполненная соавтором Кисайлуса, Пабло Заваттьери, доцентом Университета Пердью, позволила получить уникальное представление о режимах отказов в этих структурах и возможных модификациях для будущих конструкций.Будущие исследования группы будут включать в себя множество новых материалов, а также потенциальные идеи, полученные от этого и других организмов, которые они изучают.
Кисайлус недавно узнал, что он был выбран для получения гранта Министерства обороны в размере 7,5 миллионов долларов на продолжение этой работы.«Биология имеет невероятное разнообразие видов, которые могут дать нам новые подсказки для дизайна и синтетические пути к следующему поколению передовых материалов для легких автомобилей, самолетов и других структурных приложений», — сказал Кисайлус.Помимо Кисайлуса, Натта и Заваттьери, авторами статьи являются: Лесса Грюненфельдер, Кристофер Салинас, Гаррет Миллирон, Стивен Эррера, Ник Яраги, все нынешние или бывшие студенты Калифорнийского университета в Риверсайде; Нобфадон Суксангпанья, аспирант лаборатории Заваттьери; и Кеннет Эванс-Латтеродт, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории
Исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом.