Bouligand-Strukturen, die in natürlichen Materialien wie Fischschuppen, Hummerperitoneum und Knochen vorkommen, sind dafür bekannt, dass sie Biomaterialien außergewöhnliche mechanische Eigenschaften verleihen. Während bei der Entwicklung bioinspirierter Materialien Fortschritte erzielt wurden, konzentrierte sich der Großteil der Forschung auf die Zusammensetzung der Fasern. Jetzt ist ein tieferes Verständnis darüber erforderlich, wie die Fasern interagieren, um die mechanischen Funktionen zu verbessern.
Ein Forschungsteam unter der Leitung des Akademikers Yu Shuhong von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat eine bioinspirierte Bouligand-Struktur mit einer hierarchischen und rekonfigurierbaren interfaserigen Schnittstelle eingeführt, die die mechanische Festigkeit und Zähigkeit deutlich steigert dynamische Lastübertragung und Energiedissipation und bietet eine neue Strategie zur Herstellung fortschrittlicher Strukturmaterialien.
Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.
Das Team hatte zunächst bakterielle Zellulose-Nanofasern als Modellmatrix verwendet, hatte jedoch Schwierigkeiten zu verstehen, wie die Ausrichtung der Nanofasern das mikromechanische Verhalten beeinflusst. Um dieses Problem anzugehen, führten sie groß angelegte Molekulardynamiksimulationen mit unterschiedlichen Orientierungswinkeln durch.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Optimierung der Dimension des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks durch Vernetzungsstrukturen die Lastübertragungskapazität und Schadensresistenz verbesserte.
Darüber hinaus beobachtete das Team, dass übermäßige Orientierungswinkel die Lastübertragungseffizienz und die Wasserstoffbindungsdichte zwischen den Ketten schwächten, was zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führte. Dies verdeutlichte die Bedeutung einer moderaten Ordnung für eine optimale Grenzflächeninteraktion.
Eine mäßige Ordnung integrierte Mikrostruktur und Wasserstoffbrückenbindungen und übertraf eine hohe strukturelle Ordnung aufgrund von Kompromissen zwischen Strukturorientierung, Faserverzahnung und den Abmessungen des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks.
Darüber hinaus identifizierte das Team eine große Schattenzone um Risse und deckte Mikrobewegungen von Nanofaser-Primitiven auf. Kreuzpolarisierendes Licht wurde verwendet, um diese Mikrobewegung innerhalb der Membranschicht zu überwachen, was die Herstellung bioinspirierter Bouligand-Strukturmaterialien mit Multiskalenkopplung durch helikale Stapelung und Heißpressverdichtung ermöglichte.
Die bioinspirierte Bouligand-Struktur von USTC, die durch moderate Ordnung ermöglicht wird, weist hervorragende mechanische Eigenschaften und Dimensionsstabilität auf und könnte in biomedizinischen Bereichen wie der Reparatur und dem Ersatz von Faserknorpelgewebe Anwendung finden.
Mehr Informationen:
Si-Ming Chen et al., Hierarchische und rekonfigurierbare interfaserige Schnittstelle einer bioinspirierten Bouligand-Struktur, ermöglicht durch moderate Ordnung, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adl1884
Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China