กองทัพอากาศสหรัฐฯ ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้สนับสนุนการวิจัยของ Li มีความสนใจในการปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงกลของวัสดุเซรามิกมาเป็นเวลานาน นอกจากจะได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากสำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศแล้ว ทีมของหลี่ยังได้รับการสนับสนุนเงินทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติอีกด้วย เงินที่รวมกันเหล่านี้ซึ่งได้รับจากห้องปฏิบัติการในปี 2018 ช่วยให้นักวิจัยสามารถสำรวจหลักการออกแบบใหม่ที่ฝังอยู่ในของแข็งของเซลล์เซรามิกตามธรรมชาติที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต เช่น เม่นทะเล โครง
กระดูกภายนอกของเม่นทะเลเป็นเซลล์แข็งประเภทหนึ่งหรือที่เรียกว่า
“โฟม” เนื่องจากโครงสร้างจุลภาคเป็นส่วนประกอบของเซลล์เปิดที่มีขอบหรือใบหน้าแข็ง อัดแน่นกันจนเต็มช่องว่าง ช่องว่างระหว่างเซลล์ทำให้เกิดรูพรุน ทำให้เกิดวัสดุที่มีประสิทธิภาพทางกลไกมากกว่าโครงสร้างที่หนาแน่น “ในงานวิจัยนี้ เราคิดว่าเราพบกลยุทธ์หลักบางประการที่ช่วยให้เม่นทะเลแข็งแรงและทนทาน ในขณะเดียวกันก็ลดน้ำหนักด้วยโครงสร้างจุลภาคที่มีรูพรุน” หลี่กล่าว “เอกสาร Nature Communications นี้รายงานผลลัพธ์ที่เราค้นพบว่ามีอะไรซ่อนอยู่ข้างใน”
หนามของเม่นทะเลนั้นแข็ง แข็งแรง และมีน้ำหนักเบา เงี่ยงเหล่านี้ทำจากแร่ที่เปราะบางที่เรียกว่าแคลเซียมคาร์บอเนต ซึ่งคล้ายกับเซรามิกสังเคราะห์ แต่เม่นทะเลมีความทนทานต่อความเสียหายเมื่อรับน้ำหนักหรือแรงได้สูงกว่ามาก ทีมงานของ Li ได้ทดสอบหลักการนี้โดยการกดกระดูกสันหลังด้วยกลไก โดยจำลองสภาวะแบบเดียวกับที่เซรามิกเชิงวิศวกรรมอาจต้องทน เงี่ยงหอยเม่นทะเลเปลี่ยนรูปอย่างงดงามภายใต้แรงที่กระทำ ตรงกันข้ามกับความล้มเหลวอย่างย่อยยับของของแข็งเซลล์เซรามิกสังเคราะห์ในปัจจุบัน พฤติกรรม “ความล้มเหลวอย่างสง่างาม” นี้ช่วยให้เงี่ยงเม่นทะเลสามารถทนต่อความเสียหายด้วยความสามารถในการดูดซับพลังงานที่สำคัญ
ในระหว่างการวิจัยนี้ ทีมของ Li ได้เปิดเผยความลับบางอย่างที่ทำให้เม่นทะเลสามารถจับตัวกันระหว่างโหลดกลไกได้
“มีความลับสองสามข้อเกี่ยวกับลักษณะโครงสร้างของหนามเม่นทะเล หนึ่งเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อของสาขา” หลี่กล่าว “อย่างที่สองคือขนาดของรูขุมขน” ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ทีมของ Li ได้สังเกตสถาปัตยกรรมของกิ่งก้านสั้นๆ ที่เชื่อมต่อถึงกัน เครือข่ายของโหนดยึดกิ่งเหล่านี้ไว้ด้วยกัน และหนึ่งในความลับของความทนทานต่อความเสียหายของหอยเม่นคือความสมดุลระหว่างจำนวนของโหนดและกิ่ง จำนวนนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากโหนดที่มีสาขาเชื่อมต่อมากเกินไปจะทำให้โครงสร้างเปราะและแตกหักมากขึ้น โหนดในโครงสร้างที่มีรูพรุนในเงี่ยงหอยเม่นจะเชื่อมต่อกับกิ่งสามกิ่งโดยเฉลี่ย ซึ่งหมายความว่าเครือข่ายของกิ่งจะเกิดการแตกหักเนื่องจากการดัดงอ แทนที่จะเป็นการแตกหักที่เกิดจากการยืดออกอย่างรุนแรง
ความลับประการที่สองอยู่ที่ขนาดของช่องว่างหรือรูพรุนระหว่างกิ่งไม้
ทีมงานค้นพบว่าช่องว่างภายในโครงสร้างที่มีรูพรุนของเงี่ยงหอยเม่นทะเลนั้นเล็กกว่าขนาดของกิ่งไม้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าเมื่อกิ่งหักแล้ว พวกมันสามารถล็อคเข้าที่ได้ทันทีด้วยช่องเล็กๆ เหล่านี้ กิ่งหักซ้อนทับกันบนรูพรุน เกิดเป็นบริเวณที่หนาแน่นซึ่งยังสามารถรับภาระได้
เม่นทะเลยังมีสัณฐานวิทยาพื้นผิวที่แตกต่างจากเซรามิกสังเคราะห์ เซรามิกเซลลูล่าร์ที่ผลิตขึ้นมีข้อบกพร่องในระดับจุลภาคมากมายทั้งบนพื้นผิวและภายใน ทำให้วัสดุเหล่านี้มีโอกาสเสียหายได้ง่ายกว่า นี่ไม่ใช่กรณีของกระดูกสันหลังของเม่นทะเลซึ่งมีพื้นผิวเกือบเหมือนแก้ว เรียบจนถึงระดับนาโนเมตร ข้อบกพร่องคือจุดที่ความเสียหายสามารถเริ่มต้นได้ และการไม่มีข้อบกพร่องหมายถึงการขาดตำแหน่งที่มีแนวโน้มที่จะล้มเหลว
Li แสดงความคิดนี้ด้วยกระดาษแผ่นหนึ่ง “เมื่อคุณพยายามฉีกกระดาษที่ไม่เสียหาย กระดาษจะต้านทานการฉีก หากคุณฉีกกระดาษด้านข้างเล็กน้อย รอยฉีกขาดจะต่อเนื่องจากจุดที่เสียหายนั้น”
ด้วยกิ่งก้าน รูพรุน และพื้นผิวเรียบในการเล่น หนามเม่นทะเลที่มีน้ำหนักเบาจึงมีความแข็งแรงสูงและทนทานต่อความเสียหายโดยการกระจายความเครียดภายในโครงสร้างอย่างสม่ำเสมอและดูดซับพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ผลิตเซรามิกรุ่นต่อไป
เมื่อมีความรู้นี้ เราสามารถสร้างความเรียบเนียน การขาดข้อบกพร่อง และโครงสร้างกิ่งก้านและโหนดเฉพาะที่จำเป็นในการใช้ประโยชน์จากความลับของเม่นทะเลได้หรือไม่ ตอนนี้เราทำไม่ได้เพราะวิธีการแปรรูปเซรามิกในปัจจุบันยังไม่ค่อยมี
เซรามิกที่ทำขึ้นโดยสังเคราะห์มักขึ้นรูปด้วยกระบวนการสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือการสร้างรูปร่าง และขั้นตอนที่สองคือการเผาชิ้นส่วนเพื่อให้เซรามิกแข็งตัว ซึ่งจะให้ความแข็งแรงตามที่ทราบกันดี ช่างปั้นหม้อทำตามวิธีนี้เมื่อพวกเขาสร้างหม้อและอุ่นในเตาเผา กระบวนการที่คล้ายกันนี้ยังใช้กับเซรามิกจากการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งขั้นตอนการพิมพ์ 3 มิติจะสร้างรูปร่าง จากนั้นจึงจำเป็นต้องเผาในภายหลังเพื่อผลิตชิ้นส่วนเซรามิกขั้นสุดท้าย
ขั้นตอนเผาหรือการเผานั้นเป็นปัญหามากที่สุดสำหรับการสร้างโครงสร้างจุลภาคของเม่นทะเลขึ้นใหม่ เนื่องจากกระบวนการเผาผนึกทำให้เกิดข้อบกพร่องในระดับจุลภาค ทำให้มีความแข็งแรงต่ำ
“ในห้องทดลองของฉัน เรายังสนใจว่าสิ่งมีชีวิตเช่น เม่นทะเลสร้างของแข็งที่เป็นเซรามิกในเซลล์ธรรมชาติเหล่านี้ได้อย่างไร” หลี่กล่าว “หวังว่าสักวันหนึ่ง เราไม่เพียงสามารถผสานรวมหลักการออกแบบวัสดุเข้ากับวัสดุเซรามิกน้ำหนักเบาที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกลยุทธ์การประมวลผลวัสดุที่เรียนรู้จากระบบธรรมชาติด้วย”
credit : sellwatchshop.com kaginsamericana.com NeworleansCocktailBlog.com coachfactoryoutletswebsite.com lmc2web.com thegillssell.com jumpsuitsandteleporters.com WagnerBlog.com moshiachblog.com
