Festigkeitsprüfung: Nanomechanik der edlen Ohrmuschel der Perlmuttschale

Was ist das haltbarste Material auf dem Planeten? Es gibt keine eindeutige Antwort auf diese Frage, da alles davon abhängt, wie genau Sie die Stärke bewerten und was Sie mit diesem Begriff meinen. Jemand wird Diamant nennen - das haltbarste Mineral, jemand wird eine Bahn mit einer Zugfestigkeit von bis zu 2,7 GPa nennen, d. H. etwa 2 mal mehr als Stahl. Mit anderen Worten, es gibt viele dauerhafte Materialien organischen und anorganischen Ursprungs. Wissenschaftler aus aller Welt untersuchen diese Materialien jahrelang, um alle physikalischen und chemischen Prozesse zu ermitteln, die zu ihrer Bildung führen. Das Perlmutt, ein organisch-anorganisches Material, das die Innenwände von Molluskenschalen bedeckt und die Grundlage für Perlen bildet, gilt als einzigartiges Objekt einer dieser Langzeitstudien. Heute werden wir mit Ihnen eine Studie treffen, in der Wissenschaftler der University of Michigan beschlossen haben, das Geheimnis eines der haltbarsten natürlichen Materialien durch Beobachtung in Echtzeit aufzudecken. Was haben Wissenschaftler herausgefunden, welche ungewöhnlichen Eigenschaften sind Perlmutt, welche nanomechanischen Prozesse finden darin statt und was bedeuten diese Entdeckungen für die Menschheit? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Edle Ohrmuschel

Die Molluske der Art Pinna nobilis oder edle Ohrmuschel wurde als Perlmuttquelle für die Forschung ausgewählt. Die Schale dieses endemischen Mittelmeers kann eine Länge von 120 cm erreichen. In seiner Form ähnelt es einem Tropfen, dessen scharfes Ende mit ungewöhnlichen „Wurzeln“ - Byssusfäden - an der Oberfläche befestigt ist. Der Organismus der Molluske sezerniert Byssus (1-2 Gramm), der in Form von 5-6 cm langen Fäden aushärtet. Mit diesen Fäden wurde feines Leinen (Seide) hergestellt, das natürlich als sehr teuer und schwer herzustellen angesehen wurde. In Anbetracht des von einer Molluske produzierten Byssusvolumens mussten Tausende von Mollusken „entwurzelt“ werden, um 200-300 Gramm feines Leinen zu produzieren. Darüber hinaus aßen die Menschen auch Muschelfleisch, was sich auch negativ auf ihre Bevölkerung auswirkte. Es ist schwierig, die edle Ohrmuschel selbst für irgendjemanden außer Phytoplankton als gefährlich zu bezeichnen, da sie wie viele Muscheln ein Filter ist.


Chiara Vigo, eine feine Leinenmeisterin, spricht über sein Handwerk.

Perlmutt unterscheidet sich von vielen anderen Materialien dadurch, dass es sowohl organischen als auch anorganischen Ursprungs ist. Tatsache ist, dass die wichtigste chemische Verbindung im Perlmutt das Mineral Aragonit (CaCO ₃ ) ist, genauer gesagt hexagonale Platten aus Aragonit mit einer Breite von 10–20 μm und einer Dicke von 0,5 μm. Diese Mineralplatten sind in parallelen Platten (Schichten) angeordnet, die durch Schichten einer organischen Matrix getrennt sind, die aus elastischen Biopolymeren (Chitin, Lustrin und seidenartigen Proteinen) besteht. Zuvor wurde festgestellt, dass Perlmutt aus 95-98% CaCO ₃ besteht und 2-5% Biopolymere sind. Separat sind diese Bestandteile ziemlich zerbrechlich, aber zusammen machen sie das Perlmutt sehr stark und elastisch (der Elastizitätsmodul des trockenen Perlmuttes beträgt 70 GPa). Die Anordnung von Aragonitplatten, die einer Mauer ähneln, wirkt sich auch positiv auf die Indikatoren für die Stärke des Perlmuttes aus, wodurch die Ausbreitung von Rissen verhindert wird.


Die Innenwände der Schale einer edlen Ohrmuschel.

Das Aussehen von Perlmutt war schon immer bewundernswert: eine glatte und silberne Oberfläche, die im Licht mit allen Farben des Regenbogens schimmert. Ähnliche Beobachtungen haben natürlich auch eine völlig wissenschaftliche Erklärung. Die Quintessenz ist, dass die Dicke der Aragonitplatten sehr nahe an der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegt. Und wenn Sie berücksichtigen, dass es viele dieser Platten gibt, wird das Licht, das auf jede von ihnen trifft, gestört, wodurch wir verschiedene Farben aus verschiedenen Winkeln sehen.


Eine Schachtel für mit Perlmutt bedeckte Dokumente (XIX-XX Jahrhundert, Ausstellung im National Museum of South Korea).

Perlmutt ist dem Menschen seit vielen tausend Jahren bekannt. Dieses Material wurde aus offensichtlichen Gründen verwendet, um eine Vielzahl von Gegenständen zu dekorieren: von Tassen und Broschen bis zu Dolchen und Pulverflaschen.

Aber für die Hauptbesitzer von Perlmutt, dh für Mollusken, war dieses Material nicht für die Schönheit. Die Epithelzellen des Mantelmantelgewebes scheiden Perlmutt aus, das sich ständig an den Innenwänden der Schale ablagert. Die resultierende Schutzschicht bekämpft Parasiten und verschiedene mikroskopisch kleine Ablagerungen und umhüllt sie mit Perlmutt. Infolge dieses Prozesses wird eine Blasenperle an der Innenseite der Schale oder eine freie Perle im Mantelgewebe angebracht.

Perlmuttstudien wurden wiederholt durchgeführt, und jeder von ihnen fügte ein wenig Wissen hinzu, das zum Verständnis dieses Materials erforderlich ist.


Perlmuttplatte Architektur.

Beispielsweise wurde festgestellt, dass das Perlmutt beim Auftreten eines Risses eine 40-mal höhere Rissbeständigkeit aufweist als das monolithische / einkristalline Calciumcarbonat, aus dem es besteht. Folglich hängt die Festigkeit von Perlmutt nicht besonders von seiner chemischen Zusammensetzung ab, wo seine mechanischen Eigenschaften viel wichtiger sind.

Wenn wir die Zusammensetzung von Perlmutt (Aragonit + Biopolymere) genauer untersuchen, stellt sich heraus, dass die Molluske Pinna nobilis einen Anteil an organischer Substanz im Perlmutt von 3,4 ± 1,0% aufweist und aus organischen interlamellaren Membranen und intrakristallinen organischen Substanzen besteht, die in Mineralplatten von 5 bis 20 nm eingebettet sind .


Aragonitkristall

Die Oberfläche der Platten enthält Nano-Unregelmäßigkeiten, die vermutlich eine wichtige Rolle bei der Verhinderung ihres Verrutschens spielen. Die Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen den gegenüberliegenden Perlmuttplatten bilden manchmal schmale (20–50 nm) innere Mineralbrücken ohne äußere Beanspruchung, die sich über die interlamellaren Membranen verbinden. Eine breitere (150-200 nm) interne Hauptmineralbrücke ist an der anfänglichen Bildung neuer Platten beteiligt.

In früheren Studien schlugen Wissenschaftler vor, dass die Verhinderung der Ausbreitung von Rissen auf dem Perlmutt durch das kontrollierte Gleiten von Aragonitschichten übereinander verursacht wird, was zur visko-plastischen Energiedissipation in die organische Schicht beiträgt. Man kann jedoch nicht sicher sagen, dass dieser Mechanismus der wichtigste und noch einzigartigere ist.

In der Studie, die wir heute untersuchen, beobachteten Wissenschaftler die Verformung von Perlmutt unter Verwendung von TEM und PEM (Transmissions- und Transmissions-Rasterelektronenmikroskope) in Kombination mit Nanoindentation * .

Nanoindentation * - Untersuchung eines Materials durch Drücken eines Spezialwerkzeugs, eines Eindringkörpers, in die Oberfläche einer Probe.

Das Nanoindentationsverfahren zeigte, dass das Perlmutt eine starke Haftung zeigte, während der Eindringkörper die Probe drückte, d.h. anorganische Platten kommen über organische Grenzflächen miteinander in Kontakt. Nachdem der Eindringkörper entfernt wurde, wird die Grenzfläche vollständig wiederhergestellt, wobei die mechanische Festigkeit erhalten bleibt. Während der Kompression drehen sich Aragonitkörner und organische Einschlüsse und verformen sich reversibel, was auf die nanoskalige Elastizität von Perlmuttplatten hinweist.

Wenn ein Bruch auftritt, verhindern organische Komponenten die Ausbreitung von Rissen innerhalb und zwischen den Platten und unterstützen eine gemeinsame Architektur im Makromaßstab, um eine weitere strukturelle Belastung bereitzustellen. Dadurch kann Perlmutt deutlich mehr mechanische Energie absorbieren als monolithischer Aragonit. Es wurde gefunden, dass Perlmutt vor Beginn der Zerstörung ungefähr dreimal mehr mechanische Energie absorbiert als geologischer (d. H. Anorganischer) Aragonit.

Die Wissenschaftler haben auch die Streckgrenze zum Zeitpunkt der Kompression entlang der c- Achse (Richtung des Plattenwachstums) gemessen. Es stellte sich heraus, dass dieser Indikator für eine Perlmuttplatte dreimal höher ist als für eine große Perlmuttplatte.

Und jetzt gehen wir direkt zu einer detaillierteren Untersuchung der Ergebnisse von Beobachtungen über.

Forschungsergebnisse

Während der Mikroskopie wurden im Kontaktbereich des Eindringkörpers und der Probe im Bereich von 0,04 bis 0,2 & mgr; m ² nichtlineare Prozesse der nanoskaligen elastischen Verformung * und Härtung beobachtet.

Elastische Verformung * ist eine Art von Verformung, die verschwindet, nachdem eine äußere Kraft, die das Auftreten von Verformungen verursacht, nicht mehr auf das Objekt wirkt.

Bild Nr. 1

Abbildung 1a zeigt das Innere einer edlen Ohrmuschelschale. Und auf 1b können wir die Grenzfläche zwischen den Platten vor dem Drucktest sehen.

Die Mikroskopie ermöglichte es, eine Reihe von Verstärkungsprozessen aufgrund der hierarchischen Struktur des Perlmuttes zu identifizieren: (i) Plattenhaftung, (ii) Verformungsdämpfung, (iii) Abstumpfen von Rissen und (iv) intrakristalline Verformung und Rotation von Nanokörnern und organischen Stoffen.

Trotz der Tatsache, dass organische Elemente nur wenige Prozent der Gesamtmasse (2-5%) von Perlmutt ausmachen, bieten sie eine Reihe von Funktionen, die die Energie der aufgebrachten Lasten absorbieren.

Die Dunkelfeldmikroskopie ermöglichte es, den Volumenanteil organischer Substanz im Perlmutt genau abzuschätzen: 7,1 ± 2,2% (3,4 ± 1,0% der Gesamtmasse), bestehend aus 2,5 ± 0,3% (1,2 ± 0,1% der Gesamtmasse) interlamellaren Materials und 4,6 ± 1,9% (2,2 ±) 0,9% der Gesamtmasse) an intrakristallinem Material.

Diese organischen Einschlüsse ermöglichen es Perlmutt, seine anfängliche Morphologie (vor der Verformung) im Nanobereich wiederherzustellen. Bei hohen Belastungen (0,7 GPa pro 1 Tag ) beginnen gegenüberliegende Platten über die mineralisch-organische Grenzfläche aneinander zu haften und bilden temporäre anorganische Verbindungen. Zusätzlich wird das gesamte Volumen der Platte komprimiert, was zu einer leichten Verformung der organischen Einschlüsse führt.

Nach dem Deaktivieren der Last stellen die Mineralverbindungen an der deformierten organischen Grenzfläche und der intrastrukturellen Nanostruktur ihre ursprüngliche Morphologie ohne stabile Verformung perfekt wieder her ( 1e ). Die Wissenschaftler führten ähnliche Tests mit einer Druckbelastung in verschiedenen Teilen der Ohrmuschelschale durch, und alle zeigten das gleiche Ergebnis - eine vollständige Wiederherstellung der Perlmuttmorphologie.


Bild Nr. 2

Während der TEM-Studie wurde festgestellt, dass das Perlmutt verschiedene mechanische Reaktionen auf starke und schwache Kompression zeigt, die in den Verformungskonturen sichtbar sind. Die nächste Druckbelastung, die entlang der Wachstumsrichtung der Platten aufgebracht wird, erzeugt eine Verformungskontur, die sich seitlich in jede Platte ( 2a ) erstreckt. Die Scherung der interlamellaren Membranen verhindert jedoch die Ausbreitung in Längsrichtung zu benachbarten Platten.

Bei höheren Belastungen werden die Platten miteinander verbunden und kommen in direkten Kontakt miteinander, wodurch sich die Verformungskonturen vom Eindrückpunkt ( 2b ) in radialer Richtung entlang der Platten ausbreiten können.

Bei Anlegen von ~ 3% der technischen Spannung (nominal) an die erste Platte sind die Konturen kontinuierlich verteilt, und bei ~ 6% der Spannung ist die Haftung zwischen den Platten deutlich sichtbar.

Mit einem weiteren Anstieg der Kontaktspannung breitet sich die Haftung der Platten immer weiter vom Kontaktpunkt aus aus und die Dehnungsdämpfung nimmt linear ab. Das heißt, die Verformbarkeit * der Platten nimmt ab, wenn sich das Perlmutt wie ein monolithisches Material verhält ( 2c ).

Verformbarkeit * - die Fähigkeit eines Materials, unter dem Einfluss einer Last ohne Bruch die gewünschte Form anzunehmen.

Während der Experimente unter Druck erholte sich das stark deformierte Perlmutt vollständig auf ~ 80% seines Ausgangszustands.


Bild Nr. 3

Dies ist deutlich in Grafik 3a zu sehen , in der der Elastizitätsmodul für acht aufeinanderfolgende Kompressionen (blaue und rote Linien) unverändert bleibt. Bilder der Probe in 3d und 3d zeigen, dass das Perlmutt nach Erhöhung der Belastung auf 0,8 GPa und darüber Anzeichen einer nichtlinearen elastischen Verformung zeigt. Im Gegensatz zur herkömmlichen plastischen Verformung * bleibt die ursprüngliche Struktur jedoch nach dem Spannungsabbau erhalten. Eine vollständige Erholung wurde sogar bei stark deformiertem Perlmutt (~ 0,8 - 1,1 GPa) beobachtet.

Plastische Verformung * ist eine Art von Verformung, deren Folgen auch nach dem Entfernen der Last, die sie verursacht hat, nicht verschwinden, d.h. es ist irreversibel. Plastische Verformung ist das Gegenteil von elastisch.

Eine solche Erhaltung der mechanischen Festigkeit während wiederholter Lastzyklen weist auf einen nichtlinearen Prozess der elastischen Verformung hin, der durch eine nanomechanische Elastizität gekennzeichnet ist, die in herkömmlichen Schüttgütern fehlt. Dies ist laut Wissenschaftlern in einzigartiger Weise mit dem Adhäsionsprozess benachbarter Platten verbunden.

Darüber hinaus kann davon ausgegangen werden, dass die Rotation und Verformung von organischen Einschlüssen und mineralischen Nanokörnern auch den Mechanismus der Viskoelastizität beeinflusst.


Diese Aussage wurde durch TEM-Analyse bestätigt, die zeigte, dass einzelne Aragonit-Nanokörner den Kontrast ändern, wenn sie sich neu orientieren, und organische Einschlüsse ihr Volumen geringfügig ändern.

Die Verformung dieser nanometergroßen organischen Einschlüsse beim Zusammendrücken des Materials verteilt die Last und vermeidet irreversible Schäden an der anorganischen Matrix ( 1c - 1e ).

Im Gegensatz zu nano- oder mikrogranularen Metallen, die durch Verringerung der Beweglichkeit von Versetzungen an Korngrenzen gehärtet werden, enthalten die organischen Proteinkomponenten des Perlmuttes flexible molekulare Bindungen, die die Verformung und Rotation der Nanokörner elastisch verteilen und das System nach Entfernen der äußeren Belastung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen.

Die Absorption von Energie während des Streckens / Entfaltens des Proteins und die anschließende Freisetzung von Energie beim erneuten Falten der Elastomermoleküle sorgt für eine hohe Elastizität des Perlmuttes. Im Gegensatz dazu weisen nanokristalline oder nanodoppelte Metalle eine geringere Elastizität auf, da sie nur aufgrund von Versetzungen Plastizität zeigen.

Wenn die äußere Belastung dennoch zu einem Versagen an der Kontaktstelle führt, verhindern die organischen Bestandteile im Perlmutt die Ausbreitung von Rissen sowohl innerhalb als auch zwischen den Platten ( 3b , 3c und 4c ). Wenn genauer gesagt, verhindern kleine organische Einschlüsse in der anorganischen Matrix die Ausbreitung von Rissen innerhalb der Platte, wodurch die Risse abgestumpft werden und ihre Richtung abgelenkt wird ( 3c ). Und die interlamellare Membran verhindert, dass sich die Risse zwischen den Platten ausbreiten ( 3b ).

Nach jedem Schaden bleibt die allgemeine Makroarchitektur des Perlmuttes niedrig und behält ihre mechanischen Eigenschaften bei ( 4a - 4c und das folgende Video).


Bild Nr. 4


Aufrechterhaltung der Integrität der Perlmutt-Architektur nach mehreren Spannungszyklen.

In der Festkörperbruchmechanik wird die Fähigkeit, einem Bruch zu widerstehen, durch die Rissbeständigkeit in Gegenwart eines Risses quantifiziert. Perlmutt ist ein sehr komplexes System mit vielen Komponenten, weshalb lokale Belastungen zu vielen Reaktionen führen können. Eine Analyse der Austauschprobe von Perlmutt ergab, dass ihre Rissbeständigkeit 10 MPa · m ^1/2 beträgt, was 40-mal höher ist als die von Einkristall-Aragonit ~ 0,25 MPa · m ^1/2 .

Da Perlmutt mehrere Schäden (Lastzyklen) aushalten kann, bis es aufgrund der gemischten Struktur von organischen und mineralischen Bestandteilen vollständig zerstört ist, ist es unmöglich, seine Rissbeständigkeit mittels Rissinitiierung zu bestimmen.

Prismatischer Calcit und monolithischer Aragonit zeigen jedoch eine begrenzte Verformung, bevor ein katastrophales Versagen oder ein Bruch auftritt ( 4d - 4i ).

Monolithischer Aragonit reagiert auf Verformungen mittels Spannungsschleifen, die vom Kontaktpunkt ausgehen. Prismatischer Calcit aus der Schale der Molluske P. nobilis verhielt sich wie ein monolithischer Aragonit, jedoch zeigte eine Vertiefung nahe der organischen Grenzfläche eine signifikante Abschwächung des benachbarten Prismas ( 4e ).

Daher kann genau festgestellt werden, dass die interlamellaren Perlmuttmembranen die Form der Druckspannungsfelder ändern. Biogener Calcit aus der prismatischen Schicht von P. nobilis und geologischer monolithischer Aragonit waren merklich härter ( 4k ) und erreichten in der Regel höhere Streckgrenzen als Perlmutt ( 4j ). Die Hybridarchitektur von Perlmutt (organisch + Mineralien) absorbierte jedoch mechanische Energie besser bis zur vollständigen Zerstörung - dreimal mehr als prismatischer Calcit und monolithischer Aragonit.

Wissenschaftler stellen auch fest, dass früher durchgeführte Studien leicht geklärt werden können. Tatsache ist, dass die Nanoindentationsmethode die Messung des mechanischen Verhaltens auf der Ebene einer Platte und nicht der gesamten Probe ermöglicht. Dies ermöglicht es, den Beitrag der Härtungs- und Elastizitätserhöhungsmechanismen auf der Skala der gesamten Probe zu bewerten.

Beispielsweise war der in dieser Studie ermittelte Elastizitätsmodul von Perlmutt und Calcit aus der P. nobilis- Schale mit dem für Massenproben ermittelten vergleichbar. Die in dieser Arbeit gemessene Festigkeit von nanoindentiertem Perlmutt erreichte jedoch 1,6 ± 0,2 GPa, was dreimal so hoch ist wie bisher für Massenproben angenommen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Proben in dieser Studie trocken waren. Es wurde gezeigt, dass dehydriertes Perlmutt aufgrund der Plastifizierung der organischen Matrix mit Wasser eine höhere Festigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul aufweist, jedoch eine geringere Schlagfestigkeit als hydratisiertes Perlmutt.Daher ist im natürlichen Lebensraum, d.h. Unter Wasser ist die Stärke der edlen Ohrmuschel der Perlmuttschale noch höher.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Perlmutt wurde wegen seiner erstaunlichen Schönheit immer als Erbe der Reichen und Edlen angesehen. Dieses Material hat aber nicht nur ein schönes Cover, sondern auch einen sehr interessanten Inhalt. Perlmutt ist eines der haltbarsten Materialien und übertrifft in diesem Indikator sogar seinen Vorfahren Aragonit. Perlmutt zeigt also, dass nicht immer monolithisch dauerhaft ist, da seine komplexe Struktur aus organischen Stoffen und Mineralien einer dreimal höheren Belastung standhält als einkristalliner Aragonit.

Flora und Fauna sind reich an Geheimnissen, die Wissenschaftler aus aller Welt so sehr preisgeben wollen. Und es geht nicht nur um die immense menschliche Neugier, sondern auch um die Vorteile, die wir aus neuem Wissen ziehen können.

Diese Studie ermöglichte es beispielsweise, die Eigenschaften von Hybridmaterialien aus organischen und mineralischen Bestandteilen besser zu verstehen. Solche natürlichen Verbundwerkstoffe haben eine erhöhte Festigkeit, die in der Welt der Technologie nie überflüssig war. Das Verständnis der Wechselwirkung scheinbar gegensätzlicher Substanzen ermöglicht nicht nur eine bessere Untersuchung solcher Verbindungen, sondern schafft sie auch.

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