Forskere udvikler metode til at designe syntetiske materialer og hurtigt omdanne designet til virkelighed ved hjælp af computeroptimering og 3-D ing.
Forskere, der arbejder med at designe nye materialer, der er holdbare, lette og miljømæssigt bæredygtige, ser i stigende grad på naturlige kompositter, såsom knogler, til inspiration: Ben er stærk og sej, fordi dens to bestanddele, blødt kollagenprotein og stift hydroxyapatit-mineral, er arrangeret i komplekse hierarkiske mønstre, der ændrer sig på hver skala i kompositten, fra mikro op til makro.
Mens forskere har fundet op med hierarkiske strukturer i design af nye materialer, har det været en vedvarende udfordring at gå fra en computermodel til produktion af fysiske artefakter. Dette skyldes, at de hierarkiske strukturer, der giver naturlige kompositter deres styrke, samles selv gennem elektrokemiske reaktioner, en proces, der ikke let replikeres i laboratoriet.
Billedkredit: Shutterstock / Thorsten Schmitt
Nu har forskere ved MIT udviklet en tilgang, der giver dem mulighed for at omdanne deres design til virkelighed. På få timer kan de flytte direkte fra en multiskala computermodel af et syntetisk materiale til oprettelse af fysiske prøver.
I et papir, der blev offentliggjort online den 17. juni i Advanced Functional Materials, beskriver lektor Markus Buehler ved Institut for Bygge- og Miljøteknik og medforfattere deres tilgang.Ved hjælp af computeroptimerede design af bløde og stive polymerer placeret i geometriske mønstre, der replikerer naturens egne mønstre, og en 3D-en, der er med to polymerer på en gang, producerede teamet prøver af syntetiske materialer, der har brudadfærd svarende til knogler. En af de syntetiske stoffer er 22 gange mere brudresistent end dets stærkeste bestanddel, hvilket opnås ved at ændre det hierarkiske design.
To er stærkere end en
Kollagen i knoglen er for blød og elastisk til at fungere som et strukturelt materiale, og mineralhydroxyapatitten er sprød og tilbøjelig til brud. Men når de to kombineres, danner de en bemærkelsesværdig komposit, der er i stand til at yde knoglestøtte til den menneskelige krop. De hierarkiske mønstre hjælper knoglen med at modstå brud ved at sprede energi og fordele skader over et større område i stedet for at lade materialet svigte på et enkelt punkt.
”De geometriske mønstre, vi brugte i de syntetiske materialer, er baseret på dem, der ses i naturlige materialer som knogler eller nacre, men inkluderer også nye design, der ikke findes i naturen,” siger Buehler, der har udført omfattende undersøgelser af molekylstrukturen og brud opførsel af biomaterialer. Hans medforfattere er kandidatstuderende Leon Dimas og Graham Bratzel og Ido Eylon fra 3D-producenten Stratasys. ”Som ingeniører er vi ikke længere begrænset til de naturlige mønstre. Vi kan designe vores egne, som måske klarer sig endnu bedre end dem, der allerede findes. ”
Forskerne skabte tre syntetiske kompositmaterialer, som hver er en ottedel tomme tyk og ca. 5 x 7 tommer i størrelse. Den første prøve simulerer de mekaniske egenskaber ved knogler og nacre (også kendt som perlemor). Denne syntetiske har et mikroskopisk mønster, der ligner en forskudt mur og murvæg: En blød sort polymer fungerer som mørtel, og en stiv blå polymer danner murstenene. En anden komposit simulerer mineralkalsitten med et inverteret mursten-og-mørtelmønster med bløde mursten indkapslet i stive polymerceller. Den tredje komposit har et diamantmønster, der ligner slangeskind. Denne blev skræddersyet specifikt til at forbedre et aspekt af knoglens evne til at skifte og sprede skader.
Et skridt i retning af 'metamaterialer'
Holdet bekræftede nøjagtigheden af denne tilgang ved at placere prøverne gennem en række tests for at se, om de nye materialer brud på samme måde som deres computersimulerede kolleger. Prøverne bestod testene, validerede hele processen og bevisede effektiviteten og nøjagtigheden af det computeroptimerede design. Som forudsagt viste det benlignende materiale sig at være det hårdeste samlet.
”Vigtigst af alt bekræftede eksperimenterne den beregningsmæssige forudsigelse af det bonlignende prøve, der udviser den største brudmodstand,” siger Dimas, der er den første forfatter af papiret. "Og det lykkedes os at fremstille en komposit med en brudmodstand mere end 20 gange større end dens stærkeste bestanddel."
Ifølge Buehler kunne processen opskaleres for at tilvejebringe et omkostningseffektivt middel til fremstilling af materialer, der består af to eller flere bestanddele, arrangeret i mønstre med enhver tænkelig variation og skræddersyet til specifikke funktioner i forskellige dele af en struktur. Han håber, at efterhånden som helhed kan bygges op med optimerede materialer, der indeholder elektriske kredsløb, VVS og energi høst. ”Mulighederne virker uendelige, da vi lige er begyndt at skubbe grænserne for den slags geometriske træk og materialekombinationer, vi kan,” siger Buehler.
via MIT