Хабрахабр

Проверка на прочность: наномеханика перламутра раковин благородной пинны

Однозначного ответа на этот вопрос нет, поскольку все зависит от того, как именно вы будете оценивать прочность, и что вы подразумеваете под этим термином. Какой самый прочный материал на планете? 7 ГПа, т.е. Кто-то назовет алмаз — самый прочный минерал, кто-то назовет паутину, у которой предел прочности на разрыв составляет до 2. Другими словами, прочных материалов органического и неорганического происхождения достаточно много. примерно в 2 раза больше, чем у стали. Уникальным объектом одного из таких многолетних исследований считается перламутр — органико-неорганический материал, который покрывает внутренние стенки раковин моллюсков и является основой жемчуга. Ученые со всех уголков планеты тратят годы на изучение этих материалов, дабы установить все физико-химические процессы, которые приводят к их формированию. Что удалось выяснить ученым, какими необычными характеристиками обладает перламутр, какие наномеханические процессы протекают в нем, и что эти открытия значат для человечества? Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Мичиганского университета решили раскрыть секрет одного из самых прочных природных материалов, наблюдая за ним в реальном времени. Поехали. Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Основа исследования


Благородная пинна

Раковина этих эндемиков Средиземного моря может достигать 120 см в длину. В качестве источника перламутра для исследования был выбран моллюск вида Pinna nobilis или благородная пинна. Организм моллюска выделяет биссус (1-2 грамма), который затвердевает в виде нитей длиной 5-6 см. По форме она напоминает каплю, острый конец которой крепится к поверхности посредством необычных «корней» — нитей биссуса. Учитывая объем вырабатываемого одним моллюском биссуса, для изготовления 200-300 грамм виссона необходимо было «выкорчевывать» тысячи моллюсков. Люди использовали эти нити для создания ткани виссон (морской шелк), которая, естественно, считалась очень дорогой и сложной в производстве. Саму же благородную пинну сложно назвать опасной для кого-то, кроме фитопланктона, поскольку она, как и многие двустворчатые, является фильтратором. Кроме того, люди также употребляли в пищу мясо моллюсков, что также негативно сказалось на их популяции.

Кьяра Виго, мастер по изготовлению виссона, рассказывает о своем ремесле.

Дело в том, что основным составным химическим соединением в перламутре является минерал арагонит (CaCO3), точнее, гексагональные плиты арагонита размером 10-20 мкм в ширину и 0. Перламутр отличается от многих других материалов тем, что является одновременно органического и неорганического происхождения. Эти минеральные плиты выстроены в параллельные пластины (слои), разделенные между собой слоями органического матрикса, состоящего из эластичных биополимеров (хитин, люстрин и шелкоподобные белки). 5 мкм в толщину. По отдельности эти составляющие элементы достаточно хрупкие, но вместе они делают перламутр очень прочным и упругим (модуль Юнга сухого перламутра равен 70 ГПа). Ранее было установлено, что перламутр состоит из CaCO3 на 95-98%, а 2-5 % это биополимеры. Положительно на показатели прочности перламутра играет еще и расстановка плит арагонита, напоминающая кирпичную стену, за счет чего предотвращается распространение трещин.


Внутренние стенки раковины благородной пинны.

Подобным наблюдениям также имеется вполне научное объяснение, естественно. Внешний вид перламутра всегда вызывал восхищение: гладкая и серебристая поверхность, переливающаяся на свету всеми цветами радуги. А если учесть, что этих пластин много, то свет, попадающий на каждую из них, претерпевает интерференцию, от чего под разным углом мы и видим разные цвета. Суть в том, что толщина пластин арагонита очень близка к длине волны видимого света.


Ящик для документов, покрытый перламутром (XIX-XX век, экспонат в Национальном музее Южной Кореи).

Применяли этот материал, по очевидным причинам, для украшения самых разных предметов: от кубков и брошек до кинжалов и пороховниц. Перламутр известен человеку уже много тысяч лет.

Эпителиальные клетки мантийной ткани моллюска выделяют перламутр, который постоянно осаждается на внутренних стенках раковины. Но для первичных владельцев перламутра, то есть для моллюсков, этот материал служил далеко не для красоты. В результате этого процесса формируется блистерная жемчужина, прикрепленная к внутренней части раковины, либо свободная жемчужина в тканях мантии. Полученный в результате защитный слой борется с паразитами и различным микроскопическим мусором, обволакивая его перламутром.

Исследования перламутра проводились неоднократно, и каждое из них добавляло по крупице знаний, необходимых для понимания этого материала.


Архитектура пластин перламутра.

Следовательно, прочность перламутра не особо то и зависит от его химического состава, куда важнее его механические свойства. К примеру, было установлено, что при возникновении трещины перламутр демонстрирует трещиностойкость в 40 раз выше, чем у монолитного / монокристаллического карбоната кальция, из которого он состоит.

4 ± 1. Если более детально рассматривать состав перламутра (арагонит + биополимеры), то выяснится, что у моллюска Pinna nobilis процент органики в перламутре составляет порядка 3. 0 % и состоит из органических межламеллярных мембран и внутрикристаллических органических веществ, встроенных в минеральные пластины размером 5-20 нм.


Кристалл арагонита.

Поверхностные неровности между противолежащими перламутровыми пластинами иногда образуют узкие (20–50 нм) внутренние минеральные мосты без внешнего напряжения, соединяющие поперек межламеллярные мембраны. Поверхность пластин содержит нано-неровности, предположительно играющие важную роль в предотвращении их скольжения. А более широкие (150–200 нм) основные внутренние минеральные мосты участвуют в первоначальном формировании новых пластин.

Однако нельзя утверждать наверняка, что этот механизм является основным, и тем более единственным. В предыдущих исследованиях ученые предположили, что предотвращение распространения трещин на перламутре вызвано контролируемым скольжением слоев арагонита друг над другом, что способствует вязко-пластическому рассеянию энергии в органический слой.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые провели наблюдение за деформациями перламутра посредством ПЭМ и ПРЭМ (просвечивающий и просвечивающий растровый электронные микроскопы) в сочетании с наноиндентированием*.

Наноиндентирование* — исследование материала методом вдавливания в поверхность образца специального инструмента — индентора.

Метод наноиндентирования показал, что во время нажатия индентором на образец перламутр демонстрирует прочное сцепление, т.е. неорганические пластины вступают в контакт друг с другом через органические интерфейсы. После того, как индентор убирают, интерфейс полностью восстанавливается, сохраняя при этом свою механическую прочность. Во время компрессии зерна арагонита и органические включения обратимо вращаются и деформируются, что указывает на наноразмерную упругость пластин с перламутром.

Именно это позволяет перламутру поглощать значительно большую механическую энергию, чем монолитный арагонит. Когда разрушение все же имеет место быть, органические компоненты предотвращают распространение трещин внутри пластин и между ними, поддерживая общую макромасштабную архитектуру, чтобы обеспечить дальнейшую структурную нагрузку. неорганического происхождения) арагонит, до момента начала разрушения. Было установлено, что перламутр поглощает примерно в 3 раза больше механической энергии, чем геологический (т.е.

Оказалось, что у пластины перламутра этот показатель в три раза выше, чем у объемного перламутра. Также ученые измерили предел текучести в момент сжатия вдоль оси с (направление роста пластин).

А теперь перейдем непосредственно к более детальному рассмотрению результатов наблюдений.

Результаты исследования

Во время микроскопии при площади контакта индентора и образца в диапазоне 0.04-0.2 мкм2 наблюдались нелинейные процессы наноразмерной упругой деформации* и упрочнения.

Упругая деформация* — тип деформации, которая исчезает после того, как на объект прекращает действовать внешняя сила, вызывающая появление деформаций.


Изображение №1

А на 1b мы можем увидеть интерфейс между пластинами до испытания надавливанием. На изображении показана внутренняя сторона раковины благородной пинны.

Микроскопия позволила выделить ряд процессов укрепления, обусловленных иерархической структурой перламутра: (i) сцепление пластин, (ii) демпфирование деформации, (iii) затупление трещин и (iv) внутрикристаллическая деформация и вращение нанозерен и органики.

Несмотря на то, что органические элементы составляют всего несколько процентов от общей массы (2-5 %) перламутра, они обеспечивают ряд функций, которые поглощают энергию приложенных нагрузок.

1 ± 2. Темнопольная микроскопия позволила точно оценить объемную долю органики в перламутре: 7. 4 ± 1. 2% (3. 5 ± 0. 0% от общей массы), состоящая из 2. 2 ± 0. 3 % (1. 6 ± 1. 1% от общей массы) межламеллярного материала и 4. 2 ± 0. 9% (2. 9% от общей массы) внутрикристаллического материала.

При больших нагрузках (0. Данные органические включения позволяют перламутру восстанавливать свою первоначальную (до деформации) морфологию на наноуровне. Помимо этого, весь объем пластины сжимается, что приводит к незначительной деформации органических включений. 7 ГПа на 1d) противолежащие пластины начинают цепляться друг за друга через интерфейс минерал-органика, образуя временные неорганические соединения.

Ученые провели аналогичные тесты с нагрузкой надавливания в разных участках раковины пинны, и все они показали одинаковый результат — полное восстановление морфологии перламутра. После того, как нагрузка деактивируется, минеральные соединения на деформированном органическом интерфейсе и внутриструктурная наноструктура прекрасно восстанавливают свою первоначальную морфологию без какой-либо устойчивой деформации (1e).


Изображение №2

Следующая сжимающая нагрузка, приложенная вдоль направления роста пластин, создает контур деформации, который распространяется в поперечном направлении внутрь каждой пластины (). Во время ПЭМ исследования было выявлено, что перламутр проявляет различные механические отклики на сильную и слабую компрессию, видимые в контурах деформаций. Но сдвиг межламеллярных мембран препятствует продольному распространению на соседние пластины.

При более высоких нагрузках пластины соединяются, вступая в непосредственный контакт друг с другом, что позволяет контурам деформации распространяться по пластинам в радиальном направлении от места вдавливания (2b).

В случае применения ~ 3% инженерного напряжения (номинального) в первой пластине контуры распределяются непрерывно, а при ~ 6% напряжения отчетливо видно сцепление между пластинами.

То есть деформируемость* пластин снижается, так как перламутр начинает вести себя как монолитный материал (). При дальнейшем увеличении контактного напряжения сцепление пластин все дальше распространяется от точки контакта, а затухание деформации линейно уменьшается.

Деформируемость* — способность материала принимать необходимую форму под воздействием нагрузки без разрушения.

Во время проводимых экспериментов с применением надавливания сильно деформированный перламутр полностью восстанавливался до ~80% от его первоначального состояния.


Изображение №3

Снимки образца на 3d и показывают, что после увеличения нагрузки до 0. Это отчетливо видно на графике , где модуль упругости остается неизменным в течение восьми последовательных сжатий (синие и красные линии). Однако, в отличие от традиционной пластической деформации*, исходная структура сохраняется после снятия напряжения. 8 ГПа и выше, перламутр начинает проявлять признаки нелинейной упругой деформации. 8 — 1. Полное восстановление наблюдалось даже в сильно деформированном перламутре (~ 0. 1 ГПа).

она необратима. Пластическая деформация* — тип деформации, последствия которой не исчезают и после удаления вызвавшей ее нагрузки, т.е. Пластическая деформация является противоположностью упругой.

Подобное сохранение механической прочности при повторяющихся циклах нагрузки говорит о нелинейном процессе упругой деформации, характеризующийся наномеханической упругостью, отсутствующей в традиционных объемных материалах. Это, по мнению ученых, однозначно связано с процессом сцепления соседствующих пластин.

В дополнение к этому, можно предположить, что вращение и деформация органических включений и минеральных нанозерен также влияют на механизм вязкоупругости.

Данное утверждение было подтверждено посредством ПЭМ анализа, показавшего, что отдельные нанозерна арагонита изменяют контрастность, так как они переориентируются, а органические включения слегка изменяют свой объем.

Деформация этих органических включений нанометрового размера при сжатии материала распределяет нагрузку, избегая необратимого повреждения неорганической матрицы (1c1e).

В отличие от нано- или микрозернистых металлов, которые упрочняются за счет уменьшения подвижности дислокаций на границах зерен, белковые органические компоненты перламутра содержат гибкие молекулярные связи, которые упруго распределяют деформации и вращение нанозерен, за счет чего возвращают систему в исходное состояние после снятия внешней нагрузки.

А вот нанокристаллические или нанодвойниковые металлы, напротив, имеют более низкую упругость, так как проявляют пластичность исключительно благодаря дислокациям. Поглощение энергии во время растяжения / развертки белка и последующего высвобождения энергии при повторной свертке эластомерных молекул обеспечивает высокую упругость в перламутре.

Если детальнее, то малые органические включения в неорганической матрице препятствуют распространению трещин внутри пластины, затупляя трещины отклоняя их направление (). Если внешняя нагрузка все же приводит к разрушению в точке контакта, то органические компоненты в перламутре препятствуют распространению трещин как внутри, так и между пластинами (3b, 3c и ). А межламеллярная мембрана мешает трещинам распространяться между пластинами (3b).

После каждого повреждения общая макромасштабная архитектура перламутра остаться низменной и сохраняет свои механические свойства (- и видео ниже).


Изображение №4

Сохранение целостности архитектуры перламутра после нескольких циклов напряжения.

Перламутр является весьма сложной системой с множеством компонентов, из-за чего локальные напряжения могут приводить к множеству ответных реакций. В механике разрушения твердых тел способность противостоять разрушению количественно определяется трещиностойкостью при наличии трещины. Анализ обменного образца перламутра показал, что его трещиностойкость равна 10 МПа · м1/2, что в 40 раз выше, чем у монокристаллического арагонита ~ 0,25 МПа · м1/2.

Учитывая, что перламутр может выдержать несколько повреждений (циклов нагрузки) до полного разрушения ввиду смешанной структуры органики и минеральных компонентов, определить его трещиностойкость посредствам инициации трещин нельзя.

А вот призматический кальцит и монолитный арагонит проявляют ограниченную деформацию до того, как возникнет катастрофическое разрушение или разрыв трещины (4d4i).

Призматический кальцит из раковины моллюска P. Монолитный арагонит реагирует на деформации с помощью контуров напряжения, исходящих от точки контакта. nobilis вел себя подобно монолитному арагониту, однако углубление вблизи органического интерфейса показало значительное затухание в соседнюю призму ().

Биогенный кальцит из призматического слоя P. Следовательно, можно точно утверждать, что межламелярные мембраны перламутра изменяют форму полей деформации сжатия. Однако гибридная архитектура перламутра (органика + минералы) лучше поглощала механическую энергию до наступления полного разрушения — в 3 раза больше, чем призматический кальцит и монолитный арагонит. nobilis и геологический монолитный арагонит были заметно тверже (4k), и, как правило, достигали более высоких пределов текучести, чем перламутр (4j).

Дело в том, что метод наноиндентирования позволяет измерять механическое поведение на уровне одной пластины, а не всего образца целиком. Ученые также отмечают, что исследования, проведенные ранее, можно слегка уточнить. Это дает возможность оценить вклад механизмов упрочнения и повышения упругости в масштабе всего образца.

nobilis, установленный в этом исследовании, был сопоставим с теми, что были определены для объемных образцов. К примеру, модуль упругости перламутра и кальцита из раковины P. 6 ± 0. Однако измеренная в этом труде прочность наноиндентированного перламутра достигала 1. 2 ГПа, что в 3 раза больше, чем раньше считалось для объемных образцов.

Было показано, что обезвоженный перламутр имеет более высокую прочность и модуль упругости, но более низкую ударную вязкость, чем гидратированный перламутр, благодаря пластификации органической матрицы водой. Важно отметить, что образцы в данном исследовании были сухими. под водой, прочность перламутра раковин благородной пинны будет еще выше. Следовательно, в родной среде обитания, т.е.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Перламутр всегда считался уделом богатых и знатных за его удивительную красоту. Но этот материал обладает не только красивой обложкой, но и весьма любопытным содержанием. Будучи одним из самых прочных материалов, перламутр превосходит по этому показателю даже своего прародителя — арагонит. Таким образом, перламутр показывает, что не всегда монолитный означает прочный, ибо его сложная комбинированная из органики и минералов структура способна выдержать напряжение в 3 раза большее, чем монокристаллический арагонит.

И дело не только в необъятном человеческом любопытстве, но и в пользе, которую мы можем получить от новых знаний. Флора и фауна богата своими секретами, которые так яростно пытаются раскрыть ученые со всего мира.

Такие природные композиты обладают повышенной прочностью, что никогда не было лишним в мире технологий. К примеру, данное исследование позволило лучше понять свойства гибридных материалов, состоящих из органики и минеральных компонентов. Понимание взаимодействия на первый взгляд противоположных веществ позволит не только лучше изучить такие соединения, но и создавать их.

Человек не может соревноваться с тем, что создала природа, но он может у нее учиться. Самой первой технологией можно смело назвать эволюцию, ибо этот долгий, кропотливый и очень сложный процесс дает умопомрачительные результаты.

Пятничный офф-топ:

К сожалению, климатические изменения, в том числе повышение температуры воды в Средиземном море, привело к активному распространению паразитических организмов, угрожающих популяции благородных пинн, которых и без того осталось очень мало.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, берегите природу, и отличных всем выходных, ребята! 🙂

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2. 2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. Dell R420 — 2x E5-2430 2. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть