Ling Li sucht bei Seeigeln nach stärkeren Keramikschäumen

Sep 28, 2023

27. Okt. 2022

Ling Li, Assistenzprofessor am Department of Mechanical Engineering der Virginia Tech, hat ein Geheimnis in den porösen Mikrostrukturen von Seeigel-Exoskeletten gelüftet, das zur Herstellung leichter synthetischer Keramik führen könnte. Seine Ergebnisse wurden am 14. Oktober in Nature Communications veröffentlicht.

Keramik weist eine hohe Hitzebeständigkeit auf, was sie zu einer bevorzugten Wahl für die Bewältigung der enormen thermischen Anforderungen von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen macht, die sich schneller als die Schallgeschwindigkeit fortbewegen. Bei diesen halsbrecherischen Geschwindigkeiten erzeugt Druckluft eine erhebliche Reibung am Fahrzeug, was zu einem schnellen Anstieg der Hitze, der es ausgesetzt ist, führt.

Hitzebeständigkeit mag zwar die Stärke von Keramik sein, doch Schadenstoleranz ist eine Schwäche. Ein einzelner punktueller Aufprall in einer Keramikplatte kann zu einem sich schnell ausbreitenden Riss führen, der zum Totalversagen der Struktur führt. Keramik wird noch unempfindlicher gegenüber Beschädigungen, wenn sie zur Gewichtsreduzierung porös gemacht wird; Für viele Strukturanwendungen, darunter auch Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge, ist die Gewichtsreduzierung jedoch eine entscheidende Voraussetzung.

Die US Air Force, einer der Sponsoren von Lis Forschung, ist seit langem daran interessiert, die mechanische Leistung keramischer Materialien zu verbessern. Lis Team erhielt nicht nur finanzielle Unterstützung vom Air Force Office of Scientific Research, sondern sicherte sich auch Mittel von der National Science Foundation.

Diese kombinierten Mittel, die das Labor im Jahr 2018 erhielt, haben Forscher in die Lage versetzt, neue Designprinzipien zu erforschen, die in den natürlichen zellulären Keramikfeststoffen eingebettet sind, die von Organismen wie Seeigeln gebildet werden. Das Exoskelett eines Seeigels ist eine Art zellulärer Feststoff oder „Schaum“, der so genannt wird, weil seine Mikrostruktur eine Ansammlung offener Zellen mit festen Kanten oder Flächen ist, die so zusammengepackt sind, dass sie den Raum ausfüllen. Die Lücken zwischen den Zellen machen sie porös, wodurch ein Material entsteht, das mechanisch effizienter sein kann als dichte Strukturen.

„Wir glauben, dass wir in dieser Arbeit einige der Schlüsselstrategien gefunden haben, die es dem Seeigel ermöglichen, stark und widerstandsfähig zu sein und gleichzeitig mit seiner porösen Mikrostruktur eine Gewichtsreduzierung zu ermöglichen“, sagte Li. „Dieser Artikel von Nature Communications berichtet über die Ergebnisse, die wir über das herausgefunden haben, was sich im Inneren verbirgt.“

Die Stacheln von Seeigeln sind steif, stark und leicht. Diese Stacheln bestehen aus einem spröden Mineral namens Kalziumkarbonat, das synthetischer Keramik ähnelt, aber der Bengel hat eine viel höhere Toleranz gegenüber Schäden, wenn er Gewicht oder Kraft ausgesetzt wird. Lis Team testete dieses Prinzip, indem es die Stacheln mechanisch drückte und so die gleichen Bedingungen simulierte, denen eine technische Keramik möglicherweise standhalten muss. Die Stacheln des Seeigels verformten sich unter der auf sie einwirkenden Kraft elegant, im Gegensatz zum katastrophalen Versagen aktueller zellularer Feststoffe aus synthetischer Keramik. Dieses „anmutige Versagen“-Verhalten ermöglicht es den Seeigelstacheln, Schäden mit erheblicher Energieabsorptionsfähigkeit zu widerstehen.

Im Zuge dieser Forschung deckte Lis Team einige Geheimnisse auf, die dem Bengel die Fähigkeit verleihen, sich bei mechanischer Belastung zusammenzuhalten.

„Die strukturellen Merkmale der Seeigelstacheln bergen einige Geheimnisse. Eines hängt mit der Verbindung der Zweige zusammen“, sagte Li. „Der zweite Faktor ist die Größe der Poren.“

Unter einem Mikroskop beobachtete Lis Team eine Architektur aus miteinander verbundenen kurzen Zweigen. Ein Netzwerk aus Knoten hält diese Zweige zusammen, und eines der Geheimnisse der Schadenstoleranz des Bengels ist das Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Knoten und Zweige. Diese Zahl ist genau deshalb kritisch, weil Knoten mit zu vielen verbundenen Zweigen dazu führen, dass die Struktur spröder und zerbrechlicher wird. Die Knoten in der porösen Struktur der Seeigelstacheln sind im Durchschnitt mit drei Zweigen verbunden, was bedeutet, dass das Netzwerk der Zweige einen durch Biegung verursachten Bruch erleidet, anstatt einen katastrophaleren, durch Dehnung verursachten Bruch.

Das zweite Geheimnis liegt in der Größe der Lücken oder Poren zwischen den Zweigen. Das Team entdeckte, dass die Lücken in der porösen Struktur der Seeigelstacheln nur geringfügig kleiner sind als die Größe der Zweige. Dies bedeutet, dass die Äste nach dem Bruch sofort durch diese kleineren Öffnungen fixiert werden können. Abgebrochene Äste stapeln sich in den Poren übereinander und bilden so einen dichten Bereich, der dennoch der Belastung standhält.

Seeigel haben auch eine andere Oberflächenmorphologie als synthetische Keramik. Hergestellte Zellularkeramik weist viele mikroskopische Defekte auf ihrer Oberfläche und im Inneren auf, was diese Materialien anfälliger für Ausfälle macht. Anders verhält es sich mit dem Stachel des Seeigels, dessen Oberfläche nahezu glasartig und bis in den Nanometerbereich glatt ist. Mängel sind Punkte, von denen Schäden ausgehen können, und ein Mangel an Mängeln bedeutet einen Mangel an störanfälligen Stellen.

Li demonstrierte diese Idee mit einem Blatt Papier. „Wenn Sie versuchen, ein unbeschädigtes Stück Papier zu zerreißen, widersetzt sich das Papier dem Zerreißen. Wenn Sie jedoch einen kleinen Riss an der Seite des Papiers machen, setzt sich der Riss von der beschädigten Stelle aus fort.“

Mit Ästen, Poren und einer glatten Oberfläche erreichen die leichten Seeigelstacheln eine hohe Festigkeit und Schadenstoleranz, indem sie die Belastung innerhalb der Struktur gleichmäßig verteilen und Energie effizienter absorbieren.

Können wir mit diesem Wissen die Glätte, das Fehlen von Fehlern und die spezifischen Zweig- und Knotenstrukturen wiederherstellen, die erforderlich sind, um die Geheimnisse des Seeigels zu nutzen? Im Moment ist das nicht möglich, weil die aktuellen Methoden der Keramikverarbeitung noch nicht ganz ausgereift sind.

Synthetisch hergestellte Keramik wird typischerweise in einem zweistufigen Prozess hergestellt. Der erste Schritt besteht darin, die Form zu schaffen, und der zweite Schritt besteht darin, das Stück zu brennen, damit die Keramik aushärtet und ihr die Festigkeit verleiht, für die sie bekannt ist. Töpfer wenden diese Methode an, wenn sie einen Topf herstellen und ihn in einem Ofen erhitzen. Ähnliche Verfahren werden auch für 3D-gedruckte Keramiken verwendet, bei denen im 3D-Druckschritt die Form geformt und anschließend gebrannt wird, um die endgültigen Keramikteile herzustellen.

Dieser Brenn- oder Sinterschritt ist für die Wiederherstellung der Mikrostruktur des Seeigels am problematischsten, da der Sinterprozess zur Bildung mikroskopischer Defekte führt, die zu einer geringen Festigkeit führen.

„In meinem Labor interessieren wir uns auch dafür, wie Organismen wie Seeigel diese natürlichen zellulären Keramikfeststoffe bilden“, sagte Li. „Hoffentlich können wir eines Tages nicht nur die Materialdesignprinzipien in bioinspirierte leichte Keramikmaterialien integrieren, sondern auch die Materialverarbeitungsstrategien, die wir aus natürlichen Systemen gelernt haben.“

Suzanne Miller

540-267-4375