Uji kekuatan: nanomekanika dari bunda mutiara mulia pinna

Apa bahan yang paling tahan lama di planet ini? Tidak ada jawaban pasti untuk pertanyaan ini, karena semuanya tergantung pada bagaimana tepatnya Anda akan mengevaluasi kekuatan, dan apa yang Anda maksud dengan istilah ini. Seseorang akan menamai berlian - mineral paling tahan lama, seseorang akan memberi nama web dengan kekuatan tarik hingga 2,7 GPa, mis. sekitar 2 kali lebih banyak dari baja. Dengan kata lain, ada banyak bahan tahan lama yang berasal dari organik dan anorganik. Para ilmuwan dari seluruh dunia menghabiskan bertahun-tahun mempelajari bahan-bahan ini untuk membangun semua proses fisik dan kimia yang mengarah pada pembentukannya. Ibu mutiara, bahan organik-anorganik yang menutupi dinding bagian dalam cangkang moluska dan merupakan dasar dari mutiara, dianggap sebagai objek unik dari salah satu studi jangka panjang ini. Hari ini kami akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari University of Michigan memutuskan untuk mengungkap rahasia salah satu bahan alami paling tahan lama dengan mengamatinya secara real time. Apa yang berhasil ditemukan para ilmuwan, karakteristik apa yang tidak biasa dari ibu mutiara, proses nanomekanis apa yang terjadi di dalamnya, dan apa arti penemuan ini bagi umat manusia? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Pinna mulia

Moluska dari spesies Pinna nobilis atau noble pinna dipilih sebagai sumber nacre untuk penelitian. Cangkang Laut Mediterania endemik ini bisa mencapai 120 cm. Dalam bentuk, itu menyerupai setetes, ujung tajam yang melekat pada permukaan dengan cara "akar" yang tidak biasa - benang byssus. Organisme moluska mengeluarkan byssus (1-2 gram), yang mengeras dalam bentuk benang sepanjang 5-6 cm Orang menggunakan benang ini untuk membuat linen halus (sutera laut), yang, tentu saja, dianggap sangat mahal dan sulit untuk dibuat. Mempertimbangkan volume byssus yang diproduksi oleh satu moluska, ribuan moluska harus “dicabut” untuk menghasilkan 200-300 gram linen halus. Selain itu, orang juga makan daging kerang, yang juga berdampak negatif terhadap populasi mereka. Sulit untuk menyebut pinna mulia itu sendiri berbahaya bagi siapa pun kecuali fitoplankton, karena itu, seperti banyak bivalvia, adalah filter.


Chiara Vigo, seorang ahli linen halus, berbicara tentang keahliannya.

Bunda mutiara berbeda dari banyak bahan lain karena berasal dari organik dan anorganik. Faktanya adalah bahwa senyawa kimia utama pada induk mutiara adalah mineral aragonit (CaCO ₃ ), lebih tepatnya, pelat heksagonal dari lebar aragonit 10-20 μm dan tebal 0,5 μm. Pelat mineral ini disusun dalam lempengan paralel (lapisan), dipisahkan oleh lapisan matriks organik yang terdiri dari biopolimer elastis (chitin, lustrin dan protein seperti sutra). Sebelumnya, ditemukan bahwa nacre terdiri dari 95-98% CaCO ₃ , dan 2-5% adalah biopolimer. Secara terpisah, unsur-unsur penyusun ini cukup rapuh, tetapi bersama-sama mereka membuat induk mutiara sangat kuat dan elastis (modulus Young dari induk mutiara adalah 70 GPa). Susunan lempengan aragonit yang menyerupai dinding batu bata juga berperan positif pada indikator kekuatan induk mutiara, sehingga mencegah perambatan retak.


Dinding bagian dalam cangkang pinna mulia.

Penampilan ibu mutiara selalu mengagumkan: permukaan yang halus dan perak, berkilauan dalam cahaya dengan semua warna pelangi. Pengamatan serupa juga memiliki penjelasan yang sepenuhnya ilmiah, tentu saja. Intinya adalah bahwa ketebalan pelat aragonit sangat dekat dengan panjang gelombang cahaya tampak. Dan jika Anda memperhitungkan bahwa ada banyak pelat ini, maka cahaya yang mengenai masing-masingnya mengalami gangguan, dari mana kami melihat warna yang berbeda dari sudut yang berbeda.


Sebuah kotak untuk dokumen-dokumen yang ditutupi oleh induk mutiara (abad XIX-XX, sebuah pameran di Museum Nasional Korea Selatan).

Bunda mutiara telah dikenal manusia selama ribuan tahun. Bahan ini digunakan, untuk alasan yang jelas, untuk menghias berbagai objek: dari cangkir dan bros hingga belati dan labu bedak.

Tetapi bagi pemilik utama nacre, yaitu, untuk moluska, bahan ini bukan untuk kecantikan. Sel epitel jaringan mantel mengeluarkan nacre, yang terus-menerus disimpan di dinding bagian dalam cangkang. Lapisan pelindung yang dihasilkan melawan parasit dan berbagai puing mikroskopis, membungkusnya dengan induk mutiara. Sebagai hasil dari proses ini, mutiara melepuh melekat pada bagian dalam cangkang, atau mutiara gratis di jaringan mantel.

Studi tentang bunda mutiara dilakukan berulang kali, dan masing-masing menambahkan sedikit pengetahuan yang diperlukan untuk memahami materi ini.


Bunda arsitektur pelat mutiara.

Sebagai contoh, ditemukan bahwa ketika retakan terjadi, nacre menunjukkan ketahanan retak 40 kali lebih tinggi dari pada kalsium karbonat monolitik / kristal tunggal yang terkandung di dalamnya. Akibatnya, kekuatan nacre tidak terlalu tergantung pada komposisi kimianya, di mana sifat mekaniknya jauh lebih penting.

Jika kita meneliti lebih rinci komposisi nacre (aragonit + biopolimer), ternyata moluska Pinna nobilis memiliki persentase bahan organik di nacre 3,4 ± 1,0% dan terdiri dari membran interlamellar organik dan zat organik intrakristalin yang tertanam dalam lempeng mineral 5-20 nm .


Kristal Aragon

Permukaan lempeng mengandung penyimpangan nano, mungkin memainkan peran penting dalam mencegah tergelincirnya pelat. Ketidakteraturan permukaan antara lempeng mutiara yang berlawanan kadang-kadang membentuk jembatan mineral internal yang sempit (20-50 nm) tanpa tekanan eksternal, menghubungkan seluruh membran antarlam. Jembatan mineral internal utama yang lebih luas (150-200 nm) terlibat dalam pembentukan awal lempeng baru.

Dalam studi sebelumnya, para ilmuwan menyarankan bahwa mencegah penyebaran retakan pada induk mutiara disebabkan oleh terkendalinya lapisan aragonit di atas satu sama lain, yang berkontribusi pada pembuangan energi visco-plastik ke dalam lapisan organik. Namun, orang tidak dapat mengatakan dengan pasti bahwa mekanisme ini adalah yang utama, dan bahkan lebih unik.

Dalam penelitian yang kami teliti hari ini, para ilmuwan mengamati deformasi nacre menggunakan TEM dan PEM (transmisi dan pemindaian mikroskop elektron) dalam kombinasi dengan nanoindentation * .

Nanoindentation * - mempelajari bahan dengan menekan alat khusus, indentor, ke permukaan sampel.

Metode nanoindentation menunjukkan bahwa ketika indentor menekan sampel, induk mutiara menunjukkan adhesi yang kuat, yaitu piring anorganik bersentuhan satu sama lain melalui antarmuka organik. Setelah indentor dihapus, antarmuka sepenuhnya dipulihkan, dengan tetap mempertahankan kekuatan mekaniknya. Selama kompresi, butiran aragonit dan inklusi organik berputar dan berubah bentuk secara terbalik, yang menunjukkan elastisitas skala nano dari ibu dari lempeng mutiara.

Ketika fraktur benar-benar terjadi, komponen organik mencegah penyebaran retakan di dalam dan di antara pelat, mendukung arsitektur skala makro umum untuk menyediakan pemuatan struktural lebih lanjut. Inilah yang memungkinkan ibu mutiara untuk menyerap lebih banyak energi mekanik secara signifikan daripada aragonit monolitik. Ditemukan bahwa nacre menyerap sekitar 3 kali lebih banyak energi mekanik daripada aragonit geologis (yaitu, asal anorganik), sebelum permulaan kehancuran.

Para ilmuwan juga mengukur kekuatan luluh pada saat kompresi sepanjang sumbu c (arah pertumbuhan lempeng). Ternyata indikator ini tiga kali lebih tinggi untuk ibu dari lempeng mutiara daripada ibu dari mutiara.

Dan sekarang kami melanjutkan langsung ke pemeriksaan yang lebih rinci dari hasil pengamatan.

Hasil penelitian

Selama mikroskop, pada area kontak indentor dan sampel dalam kisaran 0,04-0,2 μm ² , proses nonlinear deformasi elastis skala nano * dan pengerasan diamati.

Deformasi elastis * adalah jenis deformasi yang menghilang setelah kekuatan eksternal yang menyebabkan munculnya deformasi berhenti bekerja pada objek.

Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan bagian dalam cangkang pinna yang mulia. Dan pada 1b kita bisa melihat antarmuka antara pelat sebelum uji tekanan.

Mikroskopi memungkinkan untuk mengidentifikasi sejumlah proses penguat karena struktur hierarki induk mutiara: (i) adhesi pelat, (ii) redaman deformasi, (iii) menumpulkan retak, dan (iv) deformasi intrakristalin dan rotasi nanograins dan organik.

Terlepas dari kenyataan bahwa unsur-unsur organik membentuk hanya beberapa persen dari total massa (2-5%) nacre, mereka menyediakan sejumlah fungsi yang menyerap energi dari beban yang diterapkan.

Mikroskop medan gelap memungkinkan untuk secara akurat memperkirakan fraksi volume bahan organik di nacre: 7,1 ± 2,2% (3,4 ± 1,0% dari total massa), yang terdiri dari 2,5 ± 0,3% (1,2 ± 0,1% dari total massa) dari bahan interlamellar dan 4,6 ± 1,9% (2,2 ± 0,9% dari total massa) bahan intrakristalin.

Inklusi organik ini memungkinkan induk mutiara mengembalikan morfologi awal (sebelum deformasi) di skala nano. Pada beban tinggi (0,7 GPa per 1d ), lempeng yang berlawanan mulai saling menempel melalui antarmuka mineral-organik, membentuk senyawa anorganik sementara. Selain itu, seluruh volume pelat dikompresi, yang mengarah ke sedikit deformasi inklusi organik.

Setelah beban dinonaktifkan, senyawa mineral pada antarmuka organik yang terdeformasi dan struktur nano intrastruktur mengembalikan secara sempurna morfologi aslinya tanpa deformasi stabil ( 1e ). Para ilmuwan melakukan tes serupa dengan beban tekanan di berbagai bagian cangkang pinna, dan semuanya menunjukkan hasil yang sama - restorasi lengkap dari ibu morfologi mutiara.


Gambar No. 2

Selama studi TEM, terungkap bahwa induk mutiara menunjukkan berbagai respons mekanis terhadap kompresi kuat dan lemah, terlihat dalam kontur deformasi. Beban tekan berikutnya, diterapkan sepanjang arah pertumbuhan lempeng, menciptakan kontur deformasi yang meluas ke lateral ke setiap lempeng ( 2a ). Tapi geser dari membran interlamellar mencegah perambatan longitudinal ke pelat yang berdekatan.

Pada beban yang lebih tinggi, pelat dihubungkan, yang bersentuhan langsung satu sama lain, yang memungkinkan kontur deformasi merambat di sepanjang pelat dalam arah radial dari titik indentasi ( 2b ).

Dalam hal menerapkan ~ 3% dari tegangan teknik (nominal) pada pelat pertama, kontur didistribusikan secara kontinyu, dan pada ~ 6% dari tegangan, daya rekat antara pelat terlihat jelas.

Dengan peningkatan lebih lanjut dalam tegangan kontak, adhesi pelat merambat lebih jauh dan lebih jauh dari titik kontak, dan redaman regangan berkurang secara linear. Yaitu, deformabilitas * pelat menurun, karena induk mutiara mulai berperilaku sebagai bahan monolitik ( 2c ).

Deformabilitas * - kemampuan suatu material untuk mengambil bentuk yang diperlukan di bawah pengaruh beban tanpa fraktur.

Selama percobaan menggunakan tekanan, nacre yang sangat cacat benar-benar pulih hingga ~ 80% dari kondisi awalnya.


Gambar No. 3

Ini terlihat jelas pada grafik 3a , di mana modulus elastisitas tetap tidak berubah selama delapan kompresi berurutan (garis biru dan merah). Gambar-gambar sampel dalam 3d dan 3d menunjukkan bahwa setelah meningkatkan beban menjadi 0,8 GPa dan di atas, induk mutiara mulai menunjukkan tanda-tanda deformasi elastis nonlinear. Namun, tidak seperti deformasi plastik tradisional * , struktur asli dipertahankan setelah menghilangkan stres. Pemulihan total diamati bahkan pada nacre yang terdeformasi parah (~ 0,8 - 1,1 GPa).

Deformasi plastis * adalah jenis deformasi, yang konsekuensinya tidak hilang bahkan setelah pemindahan beban yang menyebabkannya, mis. itu tidak dapat dipulihkan. Deformasi plastik adalah kebalikan dari elastis.

Pelestarian kekuatan mekanik seperti itu selama siklus beban berulang menunjukkan proses nonlinier deformasi elastis, ditandai dengan elastisitas nanomekanik, yang tidak ada dalam bahan curah tradisional. Ini, menurut para ilmuwan, secara unik terkait dengan proses adhesi lempeng yang berdekatan.

Selain itu, dapat diasumsikan bahwa rotasi dan deformasi inklusi organik dan mineral nanograins juga mempengaruhi mekanisme viskoelastisitas.


Pernyataan ini dikonfirmasi oleh analisis TEM, yang menunjukkan bahwa nanograins aragonit individu mengubah kontras, ketika mereka reorientasi, dan inklusi organik sedikit mengubah volume mereka.

Deformasi ini inklusi berukuran nanometer organik pada kompresi bahan mendistribusikan beban, menghindari kerusakan permanen pada matriks anorganik ( 1c - 1e ).

Tidak seperti logam nano atau mikro, yang dikeraskan dengan mengurangi mobilitas dislokasi pada batas butir, komponen organik protein dari induk mutiara mengandung ikatan molekul fleksibel yang secara elastis mendistribusikan deformasi dan rotasi nanograins, sehingga mengembalikan sistem ke keadaan semula setelah menghilangkan beban eksternal.

Penyerapan energi selama peregangan / pembukaan protein dan pelepasan energi berikutnya setelah melipat kembali molekul elastomer memberikan elastisitas tinggi pada induk mutiara. Tetapi logam nanocrystalline atau nanodoubled, sebaliknya, memiliki elastisitas yang lebih rendah, karena mereka menunjukkan plastisitas semata-mata karena dislokasi.

Namun, jika beban eksternal mengarah pada kegagalan pada titik kontak, komponen organik pada induk mutiara mencegah penyebaran retakan baik di dalam maupun di antara lempeng ( 3b , 3c , dan 4c ). Jika lebih rinci, maka inklusi organik kecil dalam matriks anorganik mencegah penyebaran retakan di dalam piring, menumpulkan retakan yang membelokkan arahnya ( 3c ). Dan membran interlamellar mencegah retakan menyebar di antara lempeng ( 3b ).

Setelah setiap kerusakan, arsitektur skala makro umum dari induk mutiara tetap rendah dan mempertahankan sifat mekanisnya ( 4a - 4c dan video di bawah).


Gambar No. 4


Mempertahankan integritas arsitektur mutiara setelah beberapa siklus tegangan.

Dalam mekanika fraktur padat, kemampuan untuk menahan fraktur dikuantifikasi oleh ketahanan retak di hadapan retakan. Bunda mutiara adalah sistem yang sangat kompleks dengan banyak komponen, itulah sebabnya tekanan lokal dapat menyebabkan banyak tanggapan. Analisis sampel pertukaran nacre menunjukkan bahwa ketahanan retaknya adalah 10 MPa · m ^1/2 , yang 40 kali lebih tinggi dibandingkan dengan kristal tunggal aragonit ~ 0,25 MPa · m ^1/2 .

Mengingat nacre dapat tahan terhadap beberapa kerusakan (siklus muatan) hingga benar-benar hancur karena struktur campuran komponen organik dan mineral, tidak mungkin untuk menentukan ketahanan retaknya dengan memulai retakan.

Tetapi kalsit prismatik dan aragonit monolitik menunjukkan deformasi terbatas sebelum kegagalan katastropik atau pecahnya fraktur ( 4d - 4i ).

Aragonit monolitik bereaksi terhadap deformasi dengan cara loop tegangan yang berasal dari titik kontak. Kalsit prismatik dari cangkang moluska P. nobilis berperilaku seperti aragonit monolitik, namun, depresi di dekat antarmuka organik menunjukkan pelemahan yang signifikan terhadap prisma tetangga ( 4e ).

Oleh karena itu, dapat secara akurat dinyatakan bahwa membran nacre interlamellar mengubah bentuk medan regangan kompresi. Kalsit biogenik dari lapisan prismatik P. nobilis dan aragonit monolitik geologis terasa lebih sulit ( 4k ), dan, sebagai aturan, mencapai kekuatan hasil yang lebih tinggi daripada induk mutiara ( 4j ). Namun, arsitektur hibrida dari induk mutiara (mineral + mineral) menyerap energi mekanik dengan lebih baik hingga kehancuran total - 3 kali lebih banyak daripada kalsit prismatik dan aragonit monolitik.

Para ilmuwan juga mencatat bahwa studi yang dilakukan sebelumnya dapat sedikit diklarifikasi. Faktanya adalah bahwa metode nanoindentation memungkinkan mengukur perilaku mekanik pada tingkat satu piring, dan bukan seluruh sampel. Hal ini memungkinkan untuk mengevaluasi kontribusi mekanisme pengerasan dan peningkatan elastisitas pada skala seluruh sampel.

Sebagai contoh, modulus elastisitas nacre dan kalsit dari kulit P. nobilis , yang dibuat dalam penelitian ini, dapat dibandingkan dengan yang ditentukan untuk sampel massal. Namun, kekuatan ibu mutiara nano diukur dalam pekerjaan ini mencapai 1,6 ± 0,2 GPa, yang 3 kali lebih banyak dari yang diperkirakan sebelumnya untuk sampel massal.

Penting untuk dicatat bahwa sampel dalam penelitian ini kering. Telah ditunjukkan bahwa nacre yang didehidrasi memiliki kekuatan dan modulus elastis yang lebih tinggi, tetapi kekuatan impak yang lebih rendah daripada nacre yang terhidrasi karena plastisisasi matriks organik dengan air. , , .. , .

.

Epilog

. , . , — . , , , 3 , .

, . , , .

, , . , . , .

, , . , , .


, , , , ! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? , , 30% entry-level , : VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps $20 ? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?