Wissenschaftstitel: Das perfekte Skelett von Patrick Star wird enthüllt, neue hochfeste Materialien sind auf dem Weg

Geschrieben von: Zhu Hengheng

Herausgeber: Wang Haha

Layout: Li Xuewei

Die Entwicklung leichter und robuster Materialien ist für die Industrie von entscheidender Bedeutung, insbesondere für die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Diese neuen Materialien können die Energieeffizienz verbessern und gleichzeitig ihre Festigkeit beibehalten. In der industriellen Praxis verlief die Forschung und Entwicklung von leichten und hochfesten Werkstoffen jedoch langfristig äußerst schleppend. Schließlich sind stärkere Materialien tendenziell dichter und schwerer.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Ling Li, einem Assistenzprofessor an der School of Mechanical Engineering der Virginia Tech, die Richtung für die Entwicklung neuer leichter und hochfester Keramikverbundstoffe aufgezeigt.

Das Forschungsteam von Dr. Ling Li untersuchte Proben von mehrgliedrigen Seesternskeletten, die im Indopazifik weit verbreitet sind, und entdeckte zum ersten Mal, dass Seesternskelette aus einer einzigen mikrokristallinen Struktur bestehen, die sehr gleichmäßig ist und mit mathematischen Formeln beschrieben werden kann. Es besteht aus durch Knoten verbundenen Zweigen, ähnlich der Struktur des Eiffelturms. Noch interessanter ist, dass sie auch herausfanden, dass die Gleichmäßigkeit der Mikrogitterstruktur im Wesentlichen der Einkristallstruktur auf atomarer Ebene entspricht.

Dr. Li sagte: „Dieses einzigartige Material gleicht einem Gitter, das aus einem einzigen Kalzitkristall geschnitzt wurde. Diese nahezu perfekte Mikrogitterstruktur wurde in der Natur noch nie beobachtet oder synthetisiert. Die meisten hochgradig regelmäßigen Gittermaterialien werden durch die Kombination von Materialien mit kleinen Kristallen zu Verbundwerkstoffen hergestellt, doch diese neue Mikrogitterstruktur entsteht als Ganzes.“

Abbildung | Science-Cover (Quelle: Science)

Die Studie mit dem Titel „Ein schadenstolerantes, zweiskaliges, einkristallines Mikrogitter im Knotenseestern Protoreaster nodosus“ wurde auf dem Cover der neuesten Ausgabe des Magazins Science veröffentlicht.

So erreichen Sie ein Gleichgewicht zwischen Qualität und Festigkeit von Industriematerialien

Wir alle wissen, dass Materialien mit höherer Dichte tendenziell stärker und schwerer sind. Um ein einfaches Beispiel zu nennen: Eine massive Eisenkugel ist offensichtlich stärker als eine hohle Eisenkugel. Daher fiel es der Industrie lange Zeit oft schwer, bei der Entwicklung neuer leichter und hochfester Materialien ein Gleichgewicht zwischen Qualität und Festigkeit zu finden.

Im Gegensatz dazu hat die Natur nach Millionen von Jahren der Evolution eine geniale Lösung für dieses Problem gefunden: poröse Materialien, die durch die Einführung innerer Poren extrem leichte und hochfeste Materialien erzeugen. Zum Beispiel unsere Knochen, die Wurzeln von Pflanzen und die Bienenstöcke.

Abbildung | Bienenstock (Quelle: Pixabay)

Wenn wir diese Materialien unter ein Mikroskop legen, stellen wir fest, dass sie voller winziger Lücken und komplexer geometrischer Strukturen sind. Diese komplexen Poren ermöglichen uns schnelles Gehen und Laufen und die Widerstandsfähigkeit gegen starke Stöße.

Aus diesem Grund versuchen viele Werkstoffforscher seit langem, sich bei der Entwicklung neuer poröser Werkstoffe, insbesondere neuer poröser Keramikmaterialien, von der Natur inspirieren zu lassen.

Im Vergleich zu Metall- und Polymermaterialien weisen Keramiken gute mechanische, thermische und elektrochemische Eigenschaften auf und können hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen besser standhalten. Aufgrund ihrer Sprödigkeit brechen sie jedoch oft leicht, was die breite Anwendung keramischer Materialien stark einschränkt.

Entwicklung neuer poröser Keramikmaterialien nach dem Vorbild der Natur

Zuvor hatte das Team um Dr. Li bei Tintenfischknochen entdeckt, dass deren einzigartige poröse Biokeramikstruktur sowohl stark als auch bruchfest ist und zur Regulierung des Auftriebs genutzt werden kann. Dieses Projekt und andere ähnliche Studien inspirierten Dr. Li dazu, die Anwendung poröser Strukturen in der Natur im mikroskopischen Maßstab zu untersuchen.

In dieser Arbeit konzentrierten sich Dr. Li und sein Team auf das Skelett des segmentierten Seesterns. Früher sahen wir im Fernsehen oft Seesterne in verschiedenen trägen Haltungen liegen, sodass der erste Eindruck vieler Menschen war, Seesterne seien sehr weiche Tiere.

Bild | Seestern (Quelle: Pixabay)

Tatsächlich besitzt der Seestern als Stachelhäuter jedoch ein Innenskelett, das aus dem Mesoderm besteht. Verschiedene Formen kleiner Knochenstücke werden durch Bindegewebe zu einem Ganzen verbunden. Obwohl es sehr leicht ist, ist es sehr stark und so robust wie eine kugelsichere Weste.

Die hohe Festigkeit und Zähigkeit der Seesternskelette machen sie eindeutig zu einem idealen Material. Die Aufklärung ihrer Prinzipien könnte dazu beitragen, stärkere und haltbarere poröse Keramikmaterialien zu schaffen.

Zu diesem Zweck leitete Dr. Li das Forschungsteam, um diese Seesternknochenproben im Nanoscale Characterization and Fabrication Laboratory zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Gitterstruktur des Seesternskeletts im mikroskopischen Maßstab sehr regelmäßig ist und sich völlig von der porösen Struktur der Tintenfischknochen und Seeigelstacheln unterscheidet. Im Gegenteil, dies ist die regelmäßigste Struktur, die bisher in Knochen von Wirbellosen gefunden wurde, und diese regelmäßige Struktur weist große Ähnlichkeit mit der Raumfachwerkstruktur auf, die üblicherweise in modernen menschlichen Bauprojekten verwendet wird.

(Quelle: Virginia Tech)

Anschließend begannen die Forscher zu untersuchen, wie dieses natürliche Gittermaterial eine so hohe mechanische Festigkeit aufweist. Schließlich bestehen die Hauptbestandteile von Seesternskeletten und Kreide aus Kalzit, und die Festigkeit von Kreide ist offensichtlich viel geringer als die von Seesternen.

Die Forschungsergebnisse übertrafen jedoch Dr. Lis Erwartungen bei weitem. Sie fanden heraus, dass jedes winzige Knochenstück des Seesterns aus einer separaten, sehr gleichmäßigen Mikrogitterstruktur besteht, bei der die einzelnen Zweige durch Knoten miteinander verbunden sind, ähnlich der architektonischen Struktur des Eiffelturms. Noch interessanter ist die Entdeckung des Teams, dass die gleichmäßige Struktur dieses Mikrogitters auf atomarer Ebene im Wesentlichen eine Einkristallstruktur ist.

Diese Struktur ermöglicht es dem Seestern, sein Skelett strategisch in bestimmte Richtungen zu verstärken und so für verbesserten Schutz zu sorgen. Darüber hinaus scheint das Tier in der Lage zu sein, seine Tentakeln in ausgewählten Richtungen und an bestimmten Stellen zu verdicken und dadurch die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Dies ähnelt der Art und Weise, wie sich der menschliche Körper an körperliche Aktivität anpassen kann, indem er die lokale Geometrie poröser Knochen verändert.

Patricia Dove, Expertin für Biomineralisierung und renommierte Professorin an der Virginia Tech, sagte hierzu: „Seesterne und andere Stachelhäuter, die in stark räuberischen Meeresbodenumgebungen leben, eröffnen eine neue Welt von Materialien, die die Bildung außergewöhnlicher Skelette nur mithilfe von Meerwasser und einigen organischen Komponenten ermöglichen. Diese Arbeit hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Materialien im Bereich des Maschinenbaus.“

Berichten zufolge versuchen Dr. Li und seine Mitarbeiter derzeit, diese komplexen Gitterstrukturen mithilfe der 3D-Drucktechnologie zu modellieren und zu erzeugen. Obwohl die von Lis Team erstellten 3D-gedruckten Modelle optisch vergleichbar sind, wird es noch einige Zeit dauern, bis diese neue, robuste Keramikarchitektur auf den Markt kommt.

Abbildung | Dr. Li zeigt das Seesternskelett und das 3D-gedruckte Modell (Quelle: Alex Parrish für Virginia Tech)

Obwohl 3D-Drucker derzeit Mikronstrukturen erzeugen können, kann es beim abschließenden Brennvorgang gedruckter Keramikprodukte zu zahlreichen unkontrollierten winzigen Poren und Rissen kommen. Diese subtilen Veränderungen können seine mechanischen Eigenschaften zerstören und es extrem zerbrechlich machen. Mit der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie und dem Verständnis des Entstehungsmechanismus der biologischen Struktur des Seesternskeletts können in Zukunft möglicherweise neue Lösungen bereitgestellt werden.

Insgesamt enthüllt diese Studie das Geheimnis des hochfesten Skeletts des Seesterns auf Nanoebene und weist den Weg für die Entwicklung stärkerer und leichterer poröser Keramikmaterialien in der Zukunft. Dr. Li sagte hierzu: „Die Natur ist in der Lage, bei Zimmertemperatur und Umgebungsdruck derart komplexe biologische Strukturen aufzubauen, was mit der modernen menschlichen Technologie derzeit nicht möglich ist.“

Quellen:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9472

https://vtx.vt.edu/articles/2022/02/eng-ling-li-starfish-skeleton.html

https://www.eurekalert.org/news-releases/942484?

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