Lấy cảm hứng từ lớp lót sáng bóng của vỏ nhuyễn thể, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hỗn hợp xi măng linh hoạt hơn 19 lần và chống nứt hơn 17 lần so với xi măng thông thường. Các đặc tính của nó có thể được áp dụng cho các vật liệu gốm giòn như sứ và bê tông.
Thiên nhiên nổi tiếng với việc phát triển các vật liệu nhẹ nhưng bền bằng cách sử dụng các vật liệu hạn chế, khiêm tốn được sắp xếp thành kiến trúc khéo léo. Lấy xà cừ làm ví dụ. Thường được gọi là xà cừ, lớp lót sáng bóng bên trong của một số vỏ nhuyễn thể là hỗn hợp hữu cơ-vô cơ bao gồm một mô hình gạch và vữa 3D được tạo thành từ các tấm viên lục giác aragonit, một khoáng chất cứng, được dán lại với nhau bằng một loại biopolymer mềm, siêu đàn hồi.
Mặc dù các viên aragonit rất giòn, nhưng tính linh hoạt của biopolymer cho phép chúng trượt để phản ứng với ứng suất kéo, khiến xà cừ trở thành một vật liệu bền có thể biến dạng đáng kể trước khi nứt. Hiện nay, các nhà nghiên cứu từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường của Đại học Princeton đã tạo ra một loại vật liệu composite xi măng mới, vượt trội bằng cách mô phỏng kiến trúc của xà cừ tự nhiên.
"Sự kết hợp giữa các thành phần cứng và mềm này đóng vai trò quan trọng đối với các đặc tính cơ học đáng chú ý của xà cừ", Shashank Gupta, một sinh viên sau đại học ngành Kỹ thuật của Đại học Princeton và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Nếu chúng ta có thể chế tạo bê tông để chống lại sự lan truyền vết nứt, chúng ta có thể làm cho nó cứng hơn, an toàn hơn và bền hơn".
Để tạo ra vật liệu composite giống xà cừ, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các viên hình lục giác từ các tấm xi măng nhão và xếp lớp chúng, tách biệt bằng polyvinyl siloxane (PVS), hoạt động như một loại biopolymer siêu đàn hồi. Sau đó, phản ứng cơ học của vật liệu composite đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng các dầm làm từ vật liệu này và so sánh với các dầm làm bằng xi măng nhão đúc đặc (nguyên khối).
Các dầm đã được thử nghiệm uốn ba điểm có khía (3PB), trong đó áp lực hướng xuống được đặt ở giữa dầm và áp lực hướng lên ở mỗi đầu để đánh giá khả năng chống nứt hoặc độ dẻo dai khi gãy. Các thử nghiệm cho thấy dầm "cứng" từ xi măng đúc giòn; chúng đột ngột gãy hoàn toàn khi đạt đến điểm hỏng vì không có độ dẻo (dẻo). Ngược lại, dầm composite giống xà cừ cho thấy độ dẻo gấp 19 lần và độ dai gãy gấp 17,1 lần so với dầm đối chứng, trong khi vẫn giữ được độ bền gần như tương đương.
"Phương pháp lấy cảm hứng từ sinh học của chúng tôi không chỉ đơn thuần là mô phỏng cấu trúc vi mô của tự nhiên mà còn học hỏi từ các nguyên tắc cơ bản và sử dụng chúng để cung cấp thông tin cho quá trình chế tạo vật liệu nhân tạo", Reza Moini, trưởng phòng thí nghiệm Vật liệu kiến trúc và Sản xuất phụ gia (AM2) tại Princeton và là tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết. "Một trong những cơ chế chính làm cho lớp vỏ xà cừ trở nên cứng là sự trượt của viên nén ở cấp độ nanomet. Ở đây, chúng tôi tập trung vào cơ chế trượt của viên nén bằng cách chế tạo cấu trúc dạng bảng tích hợp của xi măng dán cân bằng với các đặc tính của polyme và giao diện giữa chúng. Nói cách khác, chúng tôi cố tình thiết kế các khuyết tật trong vật liệu giòn như một cách để làm cho chúng chắc hơn theo thiết kế".
Tất nhiên, những kết quả này được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch thử nghiệm vật liệu composite xi măng lấy cảm hứng từ sinh học trong bối cảnh thực tế và đang nghiên cứu xem liệu các đặc tính cơ học của nó có thể được sử dụng để tăng khả năng chống nứt của các vật liệu khác, chẳng hạn như bê tông và sứ hay không.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.
Nguồn: NewAtlas
12 Phát minh tuyệt vời cho việc khai thác gỗ
