Сверхпрочную керамику и прозрачную броню создают по образу и подобию раковин моллюсков
Наука знает много примеров того, как в поисках идей для новых технологий исследователи обращаются к природе. На минувшей неделе сразу две группы учёных представили необычные решения для производства нового поколения прозрачной керамической брони, вдохновившись строением раковин моллюсков.
"Современные прозрачные щиты и защитные козырьки изготавливают из ламинированного стекла, которое после попадания пули покрывается множеством трещин и теряет прозрачность, — говорит Кристин Ортиз (Christine Ortiz) из Массачусетского технологического института. — Поэтому особый интерес представляет любой вид прозрачной брони, которая сможет сохранить свои свойства после нескольких попаданий".
Ортиз и её команда детально изучили строение защитной оболочки устрицы вида Placuna placenta. После этого исследователи провели серию испытаний на прочность. Алмазным наконечником учёные наносили точечные удары по раковинам и рассматривали полученные повреждения на наноуровне.
Структура раковины плакуны такова, что при повреждении деформируется лишь небольшой участок (фото Ling Li).
Плоская полупрозрачная раковина моллюска на 99% состоит из кальцита, кристаллы которого очень хрупкие и обычно легко разрушаются. Но благодаря сложной структуре, организованной из множества слоёв тонких пластинок, при поражении след оставался лишь на небольшом участке, в то время как остальная часть оболочки оставалась целой и прозрачной.
При физическом воздействии минеральные пластинки в зоне удара раскалывались точно посередине. Это позволяло распределить энергию в рамках ограниченного участка и сохранить оптические свойства окружающего материала.
Теперь учёные заняты разработкой материала на основе керамики, который сможет выдерживать несколько пулевых попаданий, но при этом не терять прозрачность. Об этом они сообщили в пресс-релизе MIT. В перспективе такие "природные" технологии могут лечь в основу производства новых пуленепробиваемых стёкол, щитов и шлемов.
С результатами исследования можно ознакомиться более подробно, прочитав статью в журнале Nature Materials.
Одновременно с работой американских учёных их коллеги из Французского национального центра научных исследований (CNRS) создали невероятно прочную керамику, структура которой повторяет природный перламутр.
В пресс-релизе исследователи отмечают, что слабое место любой существующей керамики, даже высокотехнологичной, &minus- это её хрупкость и беззащитность перед образованием трещин.
Для решения этой проблемы Сильван Девиль (Sylvain Deville) и его команда взяли за основу строение раковины морского ушка. Дело в том, что производимый этим моллюском перламутр на 95% состоит из арагонита, кристаллы которого уложены слоями, как кирпичная кладка. А роль цемента в этой структуре играет белок. Такое строение само по себе делает распространение трещин практически невозможным, что и привлекло учёных.
В качестве базового ингредиента французские специалисты взяли керамический порошок, а именно оксид алюминия в форме микроскопических пластинок. Для создания необходимой структуры учёные разработали новую технологическую стадию в создании керамики, которую они описали в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
Исследователи смешали порошок с водой, создав таким образом суспензию, и заморозили её в контролируемых условиях. В итоге растущие кристаллы льда выстроили пластинки оксида алюминия нужным образом, а дальнейшая сушка привела к образованию своеобразного искусственного перламутра.
Новый материал превосходит по прочности обычную керамику в 10 раз и выдерживает температуру до 600 °С, что в перспективе существенно расширит область его применения. Учёные полагают, что такая керамика обязательно найдёт своё место в энергетике или производстве брони.
