Teste de força: nanomecânica de madrepérola concha pinna nobre

Qual é o material mais durável do planeta? Não há uma resposta definitiva para essa pergunta, pois tudo depende de como exatamente você avaliará a força e o que você quer dizer com esse termo. Alguém nomeará diamante - o mineral mais durável, alguém nomeará uma tela com uma resistência à tração de até 2,7 GPa, ou seja, cerca de 2 vezes mais que o aço. Em outras palavras, existem muitos materiais duráveis ​​de origem orgânica e inorgânica. Cientistas de todo o mundo passam anos estudando esses materiais para estabelecer todos os processos físicos e químicos que levam à sua formação. A madrepérola, um material orgânico-inorgânico que cobre as paredes internas das conchas de moluscos e é a base das pérolas, é considerada um objeto exclusivo de um desses estudos de longo prazo. Hoje, encontraremos um estudo em que cientistas da Universidade de Michigan decidiram descobrir o segredo de um dos materiais naturais mais duráveis, observando-o em tempo real. O que os cientistas conseguiram descobrir, quais características incomuns são madrepérola, que processos nanomecânicos ocorrem nela e o que essas descobertas significam para a humanidade? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Pinna nobre

O molusco das espécies Pinna nobilis ou pinna nobre foi escolhido como fonte de nácar para a pesquisa. A concha do mar Mediterrâneo endêmico pode atingir 120 cm de comprimento. Na forma, assemelha-se a uma gota, cuja extremidade afiada é fixada à superfície por meio de “raízes” incomuns - fios de byssus. O organismo do molusco secreta byssus (1-2 gramas), que endurece na forma de fios de 5 a 6 cm de comprimento, e as pessoas usavam esses fios para criar linho fino (seda do mar), o que, é claro, era considerado muito caro e difícil de fabricar. Considerando o volume de byssus produzido por um molusco, milhares de moluscos tiveram que ser arrancados para produzir de 200 a 300 gramas de linho fino. Além disso, as pessoas também comiam carne de molusco, o que também afetou negativamente sua população. É difícil chamar a nobre pinna de perigosa para qualquer pessoa, exceto o fitoplâncton, pois, como muitos bivalves, é um filtro.


Chiara Vigo, um mestre de linho fino, fala sobre seu ofício.

A madrepérola difere de muitos outros materiais, pois é de origem orgânica e inorgânica. O fato é que o principal composto químico em madrepérola é o aragonita mineral (CaCO ₃ ), mais precisamente, as lajes hexagonais de aragonita com 10 a 20 μm de largura e 0,5 μm de espessura. Essas placas minerais são dispostas em placas paralelas (camadas), separadas por camadas de uma matriz orgânica composta por biopolímeros elásticos (quitina, lustrina e proteínas do tipo seda). Anteriormente, verificou-se que o nácar consiste em 95-98% de CaCO3 e 2-5% são biopolímeros. Separadamente, esses elementos constituintes são bastante frágeis, mas juntos tornam a madrepérola muito forte e elástica (o módulo de madrepérola seca de Young é de 70 GPa). O arranjo de lajes de aragonita que se assemelham a uma parede de tijolos também desempenha positivamente os indicadores de resistência da madrepérola, devido aos quais a propagação de fissuras é impedida.


As paredes internas da concha de um pinna nobre.

A aparência de madrepérola sempre foi admirável: uma superfície lisa e prateada, brilhando à luz com todas as cores do arco-íris. Observações semelhantes também têm uma explicação completamente científica, é claro. A conclusão é que a espessura das placas de aragonita está muito próxima do comprimento de onda da luz visível. E se você levar em conta que existem muitas dessas placas, a luz que atinge cada uma delas sofre interferência, da qual vemos cores diferentes de diferentes ângulos.


Uma caixa para documentos cobertos com madrepérola (século XIX-XX, uma exposição no Museu Nacional da Coréia do Sul).

A madrepérola é conhecida pelo homem há muitos milhares de anos. Este material foi usado, por razões óbvias, para decorar uma grande variedade de objetos: de xícaras e broches a punhais e frascos de pó.

Mas para os principais proprietários do nácar, isto é, para os moluscos, esse material não era para a beleza. As células epiteliais do tecido do manto secretam nácar, que é constantemente depositado nas paredes internas da concha. A camada protetora resultante luta contra parasitas e vários detritos microscópicos, envolvendo-a com madrepérola. Como resultado desse processo, uma pérola blister é presa ao interior da concha ou uma pérola livre no tecido do manto.

Os estudos de madrepérola foram realizados repetidamente, e cada um deles acrescentou um pouco de conhecimento necessário para a compreensão desse material.


Arquitetura de madrepérola placa.

Por exemplo, verificou-se que, quando ocorre uma trinca, o nácar demonstra resistência à trinca 40 vezes maior que a do carbonato de cálcio monolítico / monocristal em que consiste. Conseqüentemente, a força do nácar não depende particularmente de sua composição química, onde suas propriedades mecânicas são muito mais importantes.

Se examinarmos mais detalhadamente a composição do nácar (aragonita + biopolímeros), verifica-se que o molusco Pinna nobilis possui uma porcentagem de matéria orgânica no nácar de 3,4 ± 1,0% e consiste em membranas interlamelares orgânicas e substâncias orgânicas intracristalinas incorporadas em placas minerais de 5 a 20 nm .


Cristal de Aragonita

A superfície das placas contém nano-irregularidades, presumivelmente desempenhando um papel importante na prevenção de deslizamentos. As irregularidades da superfície entre as placas opostas de madrepérola às vezes formam pontes minerais internas estreitas (20–50 nm) sem estresse externo, conectando-se através das membranas interlamelares. Umas pontes minerais internas principais mais largas (150-200 nm) estão envolvidas na formação inicial de novas placas.

Em estudos anteriores, os cientistas sugeriram que a prevenção da propagação de rachaduras na madrepérola é causada pelo deslizamento controlado das camadas de aragonita umas sobre as outras, o que contribui para a dissipação de energia visco-plástica na camada orgânica. No entanto, não se pode dizer com certeza que esse mecanismo seja o principal e ainda mais exclusivo.

No estudo que estamos examinando hoje, os cientistas observaram a deformação do nácar usando TEM e PEM (microscópios eletrônicos de varredura de transmissão e transmissão) em combinação com a nanoindentação * .

Nanoindentação * - estudo de um material pressionando uma ferramenta especial, um indentador, na superfície de uma amostra.

O método de nanoindentação mostrou que, enquanto o indentador pressionava a amostra, a madrepérola mostrava forte adesão, ou seja, placas inorgânicas entram em contato umas com as outras através de interfaces orgânicas. Após a remoção do indentador, a interface é completamente restaurada, mantendo sua resistência mecânica. Durante a compressão, grãos de aragonita e inclusões orgânicas giram e se deformam reversivelmente, o que indica a elasticidade em nanoescala das placas madrepérola.

Quando ocorre a fratura, os componentes orgânicos impedem a propagação de trincas dentro e entre as placas, suportando uma arquitetura macroescala comum para fornecer mais carga estrutural. É isso que permite à madrepérola absorver significativamente mais energia mecânica do que a aragonita monolítica. Verificou-se que o nácar absorve aproximadamente 3 vezes mais energia mecânica do que a aragonita geológica (isto é, de origem inorgânica), antes do início da destruição.

Os cientistas também mediram a força de escoamento no momento da compressão ao longo do eixo c (direção do crescimento da placa). Verificou-se que esse indicador é três vezes maior para uma placa madrepérola do que para madrepérola em massa.

E agora procedemos diretamente a um exame mais detalhado dos resultados das observações.

Resultados da pesquisa

Durante a microscopia, na área de contato do indentador e a amostra na faixa de 0,04-0,2 μm ² , foram observados processos não lineares de deformação elástica em nanoescala * e endurecimento.

A deformação elástica * é um tipo de deformação que desaparece após uma força externa que faz com que o aparecimento de deformações pare de agir sobre o objeto.

Imagem Nº 1

A Figura 1a mostra o interior de uma casca de pinna nobre. E no 1b podemos ver a interface entre as placas antes do teste de pressão.

A microscopia tornou possível identificar uma série de processos de reforço devido à estrutura hierárquica da madrepérola: (i) adesão da placa, (ii) amortecimento da deformação, (iii) embotamento das rachaduras e (iv) deformação intracristalina e rotação de nanogravuras e orgânicos.

Apesar de os elementos orgânicos constituírem apenas alguns por cento da massa total (2-5%) do nácar, eles fornecem várias funções que absorvem a energia das cargas aplicadas.

A microscopia de campo escuro permitiu estimar com precisão a fração volumétrica de matéria orgânica no nácar: 7,1 ± 2,2% (3,4 ± 1,0% da massa total), consistindo em 2,5 ± 0,3% (1,2 ± 0,1% da massa total) de material interlamelar e 4,6 ± 1,9% (2,2 ± 0,9% da massa total) de material intracristalino.

Essas inclusões orgânicas permitem que a madrepérola restaure sua morfologia inicial (antes da deformação) na nanoescala. Em altas cargas (0,7 GPa por 1d ), as placas opostas começam a se agarrar uma à outra através da interface mineral-orgânica, formando compostos inorgânicos temporários. Além disso, todo o volume da placa é comprimido, o que leva a uma leve deformação das inclusões orgânicas.

Depois que a carga é desativada, os compostos minerais na interface orgânica deformada e a nanoestrutura intrestrutural restauram perfeitamente sua morfologia original sem nenhuma deformação estável ( 1e ). Os cientistas realizaram testes semelhantes com uma carga de pressão em diferentes partes da casca do pinna, e todos mostraram o mesmo resultado - uma restauração completa da morfologia da madrepérola.


Imagem No. 2

Durante o estudo do TEM, foi revelado que a madrepérola exibe várias respostas mecânicas à compressão forte e fraca, visíveis nos contornos da deformação. A próxima carga compressiva, aplicada na direção do crescimento das placas, cria um contorno de deformação que se estende lateralmente em cada placa ( 2a ). Mas o cisalhamento das membranas interlamelares impede a propagação longitudinal para as placas adjacentes.

Em cargas mais altas, as placas são conectadas, entrando em contato direto umas com as outras, o que permite que os contornos da deformação se propaguem ao longo das placas em uma direção radial a partir do ponto de indentação ( 2b ).

No caso de aplicação de ~ 3% da tensão de engenharia (nominal) na primeira placa, os contornos são distribuídos continuamente e, a ~ 6% da tensão, a adesão entre as placas é claramente visível.

Com um aumento adicional na tensão de contato, a adesão das placas se propaga cada vez mais longe do ponto de contato, e a atenuação da tensão diminui linearmente. Ou seja, a deformabilidade * das placas diminui à medida que a madrepérola começa a se comportar como um material monolítico ( 2c ).

Deformabilidade * - a capacidade de um material assumir a forma necessária sob a influência de uma carga sem fratura.

Durante os experimentos com pressão, o nácar fortemente deformado se recuperou completamente até ~ 80% do seu estado inicial.


Imagem No. 3

Isso é claramente visto no gráfico 3a , onde o módulo de elasticidade permanece inalterado por oito compressões consecutivas (linhas azuis e vermelhas). As imagens da amostra em 3d e 3d mostram que, depois de aumentar a carga para 0,8 GPa e acima, a madrepérola começa a mostrar sinais de deformação elástica não linear. No entanto, diferentemente da deformação plástica tradicional * , a estrutura original é preservada após o alívio do estresse. A recuperação completa foi observada mesmo em nácar gravemente deformado (~ 0,8 - 1,1 GPa).

A deformação plástica * é um tipo de deformação cujas consequências não desaparecem mesmo após a remoção da carga que a causou, ou seja, é irreversível. A deformação plástica é o oposto do elástico.

Essa preservação da resistência mecânica durante ciclos repetidos de carga indica um processo não linear de deformação elástica, caracterizado pela elasticidade nanomecânica, ausente nos materiais a granel tradicionais. Segundo os cientistas, isso está associado exclusivamente ao processo de adesão de placas adjacentes.

Além disso, pode-se supor que a rotação e deformação de inclusões orgânicas e nanogravuras minerais também afetem o mecanismo de viscoelasticidade.


Essa afirmação foi confirmada pela análise de TEM, que mostrou que as nanogravuras individuais de aragonita alteram o contraste à medida que se reorientam, e as inclusões orgânicas alteram levemente seu volume.

A deformação dessas inclusões orgânicas do tamanho de nanômetros após a compressão do material distribui a carga, evitando danos irreversíveis à matriz inorgânica ( 1c - 1e ).

Ao contrário dos metais nano ou microgranulares, que são endurecidos pela redução da mobilidade das deslocações nos limites dos grãos, os componentes orgânicos da proteína madrepérola contêm ligações moleculares flexíveis que distribuem elasticamente a deformação e rotação das nanogravas, retornando o sistema ao seu estado original após a remoção da carga externa.

A absorção de energia durante o alongamento / desdobramento da proteína e a subsequente liberação de energia após a dobragem das moléculas elastoméricas fornece alta elasticidade na madrepérola. Porém, metais nanocristalinos ou nanodoubled, pelo contrário, têm menor elasticidade, pois mostram plasticidade apenas devido a deslocamentos.

Se a carga externa levar a falhas no ponto de contato, os componentes orgânicos na madrepérola impedem a propagação de trincas tanto dentro quanto entre as placas ( 3b , 3c e 4c ). Se mais detalhadamente, pequenas inclusões orgânicas na matriz inorgânica impedem a propagação de trincas no interior da placa, embotando as trincas, desviando sua direção ( 3c ). E a membrana interlamelar impede que as rachaduras se espalhem entre as placas ( 3b ).

Após cada dano, a arquitetura macroescala geral da madrepérola permanece baixa e mantém suas propriedades mecânicas ( 4a - 4c e o vídeo abaixo).


Imagem No. 4


Manter a integridade da arquitetura madrepérola após vários ciclos de tensão.

Na mecânica da fratura sólida, a capacidade de resistir à fratura é quantificada pela resistência à trinca na presença de uma trinca. A madrepérola é um sistema muito complexo com muitos componentes, razão pela qual as tensões locais podem levar a muitas respostas. Uma análise da amostra de troca de nácar mostrou que sua resistência a trincas é de 10 MPa · m ^1/2 , 40 vezes maior que a da aragonita de cristal único ~ 0,25 MPa · m ^1/2 .

Dado que o nácar pode suportar vários danos (ciclos de carga) até que seja completamente destruído devido à estrutura mista de componentes orgânicos e minerais, é impossível determinar sua resistência à trinca por meio da iniciação da trinca.

Porém, calcita prismática e aragonita monolítica exibem deformação limitada antes que ocorra falha catastrófica ou ruptura de fratura ( 4d - 4i ).

O aragonita monolítico reage às deformações por meio de loops de tensão que emanam do ponto de contato. A calcita prismática da concha do molusco P. nobilis se comportou como um aragonita monolítico; no entanto, uma depressão próxima à interface orgânica mostrou atenuação significativa do prisma vizinho ( 4e ).

Portanto, pode-se afirmar com precisão que as membranas interlamelares do nácar mudam a forma dos campos de deformação por compressão. A calcita biogênica da camada prismática de P. nobilis e a aragonita monolítica geológica foram notavelmente mais duras ( 4k ) e, como regra, atingiram maiores produtividades que a madrepérola ( 4j ). No entanto, a arquitetura híbrida da madrepérola (orgânica + minerais) absorveu melhor a energia mecânica até a destruição completa - três vezes mais que a calcita prismática e a aragonita monolítica.

Os cientistas também observam que estudos realizados anteriormente podem ser um pouco esclarecidos. O fato é que o método de nanoindentação permite medir o comportamento mecânico ao nível de uma placa, e não a amostra inteira. Isso possibilita avaliar a contribuição dos mecanismos de endurecimento e elasticidade na escala de toda a amostra.

Por exemplo, o módulo elástico de nácar e calcita da casca de P. nobilis , estabelecido neste estudo, foi comparável ao determinado para amostras a granel. No entanto, a força da madrepérola nanoindentada medida neste trabalho atingiu 1,6 ± 0,2 GPa, o que é 3 vezes mais do que se pensava anteriormente para amostras a granel.

É importante notar que as amostras deste estudo estavam secas. Foi demonstrado que o nácar desidratado possui maior resistência e módulo de elasticidade, mas menor resistência ao impacto que o nácar hidratado devido à plasticização da matriz orgânica com água.Portanto, no habitat nativo, ou seja, sob a água, a força da madrepérola nobre pinna será ainda maior.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

. , . , — . , , , 3 , .

, . , , .

Por exemplo, este estudo tornou possível entender melhor as propriedades de materiais híbridos constituídos por componentes orgânicos e minerais. Tais compósitos naturais aumentam a resistência, o que nunca foi supérfluo no mundo da tecnologia. Compreender a interação de substâncias aparentemente opostas não apenas permitirá um melhor estudo de tais compostos, mas também os criará.

A primeira tecnologia pode ser chamada com segurança de evolução, porque esse processo longo, meticuloso e muito complexo fornece resultados impressionantes. O homem não pode competir com o que a natureza criou, mas pode aprender com isso.


Obrigado por sua atenção, permaneça curioso, cuide da natureza e tenha um ótimo final de semana para todos, pessoal! :)

Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? , , 30% entry-level , : VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps $20 ? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 vezes mais barato? Somente temos 2 TVs Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US $ 99! Leia sobre Como criar um prédio de infraestrutura. classe usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 custando 9.000 euros por um centavo?