Abalone-Rüstung: Harteste Sachen Theoretisch Möglich

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In Jahrhunderten der Kriegsführung entwickelte sich die Rüstung von Kuhfellen zu Kevlar. Jetzt verwenden Wissenschaftler Laborexperimente und Mathematik, um in den schönen Helmhäusern, die Algen fressende Abalonen herstellen, eine stärkere kugelsichere Lösung zu finden.

Abalonen schaffen eine hochgeordnete Ziegelstruktur mit Ziegeln für ihre Schalen, die die härteste Anordnung von Fliesen theoretisch möglich macht, sagt Marc A. Meyers von der University of California in San Diego (UCSD). Die Fliesen bestehen aus Kalziumkarbonat oder Kreide, Sandwiches, die oben und unten mit einem dünnen Protein überzogen sind.

"Die Laminatstruktur der Abalone-Muschel hat unsere Gruppe dazu angeregt, ein neues synthetisches Material zu entwickeln, bei dem diese Molluske als Leitfaden verwendet wird", sagte Meyers.

Abalone-Muscheln können eine AK47-Kugel nicht aufhalten, aber eine sorgfältige Untersuchung der Schritte, die Abalone unternimmt, um ihre Muscheln herzustellen, kann Meyers und anderen Materialwissenschaftlern dabei helfen, leichte und effektive Körperpanzer für Soldaten, Polizei, Spione und andere zu entwickeln.

In den letzten 20 Jahren haben sich Ingenieure und Wissenschaftler immer mehr der Natur zugewandt, um sich vom Design inspirieren zu lassen. Das Feld heißt Biomimetik.

Die Idee ist, dass die Natur Entwürfe für maximale Leistung mit minimalem Aufwand entwickelt hat. Ein Beispiel ist die auslaufsichere Verpackung eines Apfels und seiner Haut.

Biomimetik ist nichts Neues. Die Gebrüder Wright zogen ihre Flugpläne aus den Flügeln der Vögel. In jüngerer Zeit kam die Entwicklung des Klettverschlusses aus der Beobachtung eines Mannes hinsichtlich der Wirksamkeit von Graten beim Anhaften an einem Hundepelz.

Im Bereich des harten Materials haben Biomimetiker kürzlich auch Vogelscheine, Hirschgeweihe und Tiersehnen untersucht.

"Wir haben uns der Natur zugewandt, weil Millionen von Jahren der Entwicklung und natürlichen Auslese bei vielen Tieren zu sehr robusten Materialien mit überraschenden mechanischen Eigenschaften geführt haben", sagte Meyers.

In Versuchen mit Seeohrschalen entdeckten Meyers und sein Student Albert Lin, dass sie aus unregelmäßigen Stapeln von Kreideziegeln bestehen, die ein Hundertstel der Dicke eines menschlichen Haares (insgesamt 0,5 Mikrometer) ausmachen. Das Biegen des Lichts durch diese Stapel erzeugt den Glanz von Perlmutt.

In Bezug auf die Festigkeit bindet eine positive Ladung auf der Proteinbeschichtung an der oberen und unteren Oberfläche der sechseckig geformten Kreideplatten eine negative Ladung. Dieser "Kleber" ist stark genug, um Schichten von Fliesen fest zusammenzuhalten, aber schwach genug, um das Auseinandergleiten der Schichten zu ermöglichen, wobei die Energie eines schweren Schlags absorbiert wird.

"Die adhäsiven Eigenschaften des Eiweißklebers, zusammen mit der Größe und Form der Kalziumkarbonatfliesen, erklären, wie das Innenleben der Schale ein wenig wirkt, ohne zu brechen", sagte Meyers. "Im Gegenteil, wenn ein herkömmliches Laminat bricht, wird die gesamte Struktur geschwächt."

Lin und Meyers maßen das Wachstum von Abalonenschalen, die in einem Laboraquarium der Scripps Institution of Oceanography der UCSD gezüchtet wurden. Sie drückten einen Abschnitt der Körperwand der einzelnen Abalone-Muscheln zurück, verklebten 15-mm-Glasobjektträger und zogen sie später in verschiedenen Zeitabständen zurück, um das Wachstum der "flachen Perle" unter einem Mikroskop zu untersuchen.

Sie fanden heraus, dass die weiche Körperwand oder der Mantel der Abalone in der Nähe der Schale alle 10 Mikrometer Kreide ausscheidet. An diesen Punkten beginnen sich die extrem dünnen Fliesen zu bilden und dehnen sich langsam nach außen in die Form von Sechsecken aus, was schließlich zu benachbarten Fliesen führt. Von oben mit einem Mikroskop fotografiert, ähneln die Schalenflächen einem Tannenbaum, da Abalonen Kacheln schneller hinzufügen, als jede Ebene gefüllt ist.

Das Ziel des Teams ist es, eine mathematische Beschreibung des Schalenwachstums zu generieren, die von der Industrie zur Konstruktion von Körperpanzern verwendet werden kann, die auf dem ausgeklügelten Design der Abalone basieren.


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