Neue Entdeckungen bei tierischen Exoskeletten führen zu Fortschritten bei der Konstruktion von Baumaterialien

Forscher der Monash University haben ein neues Designmotiv entdeckt, das von der starren Außenhülle von Wirbellosen abgeleitet ist und dazu beitragen kann, schadenstolerantere Materialien für zukünftige Gebäude und Konstruktionen zu schaffen.

In einer Veröffentlichung in Naturkommunikationsagt Professor Wenhui Duan von der Fakultät für Bauingenieurwesen der Monash University, dass das neue Muster, das zu den acht bekannten und gängigen biologischen Konstruktionsmustern hinzukommt, häufig verwendeten Baumaterialien wie Verbundwerkstoffen und Zement ein hochfestes Motiv verleihen und helfen kann Reduzieren die CO2-Emissionen.

Die Zementindustrie ist einer der größten Produzenten von Kohlendioxid und verursacht bis zu 8 % der weltweiten menschengemachten Emissionen dieses Gases; Diese Entdeckung wird dazu beitragen, die Verwendung von Zement zu reduzieren, indem die Schadenstoleranz des Materials verbessert wird.

Das Forschungsteam replizierte das Designmotiv in Zementmaterial, einem der am meisten verbrauchten Baumaterialien der Welt. Sie nutzten eine 3D-Drucktechnik in Kombination mit Nanotechnologie und künstlicher Intelligenz, um einen leichten Zementverbundstoff herzustellen, der dieses segmentale Designmotiv aufnahm und eine überlegene Tragfähigkeit und ein einzigartiges progressives Bruchmuster zeigte.

„Wir haben die Anwendung dieses Designmotivs bei der Herstellung eines hochfesten, beschädigungstoleranten, leichten Zementmaterials demonstriert. Darüber hinaus kann dieses Designmotiv auch auf verschiedene Materialien wie Keramik, Glas, Polymer- und Metallmaterialien für fortschrittliches Materialdesign und Energie angewendet werden Lagerung/Umwandlung und architektonische Strukturen, in Zusammenarbeit mit den Teams der University of Queensland und der University of Manchester“, sagt Professor Duan.

Seit der Entdeckung der helikalen Struktur im Jahr 1972, eines der häufigsten Strukturmuster in der Biologie, gab es Bestrebungen, Designmotive von mehr als 7 Millionen lebenden Arten auf der Welt zu extrahieren, um die Herstellung von strukturierten/strukturellen Materialien zu unterstützen.

Nach fast 50 Jahren Forschung wurden bemerkenswerte Wiederholungen in den meisten Artenklassen bestätigt, aber bisher wurden nur acht Kategorien von Designmotiven extrahiert und in das Materialdesign übernommen.

Die neue Designstruktur wurde in verschiedenen Arten wie den Exoskeletten von Arthropoden, den Beinen von Säugetieren, Amphibien und Reptilien identifiziert. Diese Designmotive sind wertvolle Inspirationsquellen für modernes Materialdesign und helfen bei der Herstellung von Konstruktionsmaterialien.

„Im Vergleich zum aktuellen Designmotiv dissipiert unser segmentales Designmotiv die Energie durch Segmentrotation. Das Schöne an unserem entdeckten Designmotiv ist, dass das Material ein einzigartiges periodisch fortschreitendes Versagensverhalten zeigen kann. Das bedeutet, dass wir den Schaden auf eine bestimmte Region beschränken können des Materials, während der Rest der Struktur immer noch die Integrität und den größten Teil (etwa 80 %) der Tragfähigkeit aufrechterhalten kann.