Их последнее исследование, чтобы быть изданным в журнале Advanced Materials, описывает впервые уникальную структуру рисунка «елочкой», о которой не ранее сообщают по своей природе, во внешнем слое придатка. Именно эта жесткая структура рисунка «елочкой» не только защищает клуб во время воздействия, но также и позволяет креветкам богомола причинить невероятный ущерб к своей добыче.Креветки богомола, также названные stomatopods, существуют двух вариантов: ‘обжимные прессы’ и ‘spearers’.
В то время как spearers убивают добычу, ведя копье в морских существ с мягким телом, обжимные прессы убивают добычу с твердой оболочкой, такую как крабы и улитки, распыляя их с невероятной скоростью и силой. Клуб дактиля может достигнуть ускорения 10,000 г, развязав заграждение воздействий со скоростью.22-калибровой пули.
В течение прошлых восьми лет Дэвид Кисэйлус, профессор Уинстона Чанга Эндауэда в энергетических Инновациях в Колледже Ручьев UCR Разработки и его команде изучал клубы дактиля обжимных прессов и использовал их в качестве вдохновения в их развитии композиционных материалов следующего поколения. Их исследование уже переводится на реальные продукты по своей природе Вдохновленные Отрасли промышленности, недавний запуск во главе с Кисэйлусом, который вращался из Офиса Риверсайда UC Перспективной разработки и Экономического развития.В предыдущей работе, включая исследование 2012 года, опубликованное в журнале Science, исследователи определили, что несколько различных областей клуба дактиля, включая внутренний регион – назвали периодический регион – с впитывающей энергией структурой, которая также отфильтровывает повреждение, стригут волны, которые едут через объекты, когда они находятся в условиях стресса. Эта энергия, поглощающая «периодический регион», состоит из двух фаз: органическая фаза сделала из хитина – комплекса найденный в раковинах насекомых и ракообразных – устроенный в helicoidal структуре, которая напоминает винтовую лестницу и неорганическую фазу, включающую аморфный карбонат фосфата и кальция кальция.
Текущее исследование, финансируемое Офисом Военно-воздушных сил Научного исследования менее чем Мультиуниверситетская Инициатива по исследованию за $7,5 миллионов, которую ведет Kisailus, описывает впервые уникальную структуру рисунка «елочкой» во внешнем слое клуба дактиля, названном регионом воздействия.Регион воздействия – стойкий к трещине слой, который ограждает клуб, поскольку креветка богомола избивает свою добычу. Однако в отличие от периодического региона, регион воздействия состоит из прозрачного фосфата кальция (тот же самый минерал, найденный в человеческой кости) окружение органических волокон хитина.
Исследователи нашли, что эти в большой степени минерализованные волокна были уплотнены, чтобы сформировать «структуру рисунка «елочкой»», которая значительно более жестка, чем структура в периодическом регионе. Высоко заказанная уплотненная структура рисунка «елочкой» – классифицированное по подаче синусоидальное расположение helicoidal волокон хитина, минерализованных с очень текстурированным фосфатом кальция.Эта уникальная структура рисунка «елочкой» не только защищает клуб от неудачи, но также и позволяет креветкам богомола причинить невероятный ущерб к своей добыче, передавая больше импульса на воздействие.
Хотя механизм формирования структуры рисунка «елочкой» должен все же быть подтвержден, Кисэйлус размышляет, что различие в усилиях во время формирования прозрачного материала в регионе воздействия вызывает helicoidal договоренность провалиться, который может быть рассмотрен под мощной микроскопией как образец рисунка «елочкой».Добавляя дополнительный слой сложности, очень внешний слой региона воздействия отличается снова, предлагая тонкое, подобное частице покрытие вокруг поверхности клуба дактиля, который действует, чтобы делокализовать напряжение, которое могло бы вызвать катастрофическую неудачу в клубе.
Николас Ярэги, аспирант в группе Кисэйлуса, которая привела текущее исследование, сказал, что это – первый раз, когда уникальная структура рисунка «елочкой» наблюдалась по своей природе.«Мы знали от предыдущих исследований, что регион воздействия позволяет креветкам богомола передавать невероятный импульс своей добыче, сопротивляясь перелому, но было захватывающе показать посредством нашего исследования, что свойства этого очень ударопрочного материала созданы новой структурой рисунка «елочкой»», сказал он.Чтобы подтвердить их гипотезы, Kisailus и его исследовательская группа объединились с Пабло Саваттьери, Адъюнкт-профессором Ученого Способности Гражданского строительства и Университета в Университете Пердью и его команде, чтобы выполнить исследования конечного элемента, чтобы понять роль этих структур. Исследователи также изготовили структуру рисунка «елочкой», используя синтетические материалы и 3D принтер.
Zavattieri и его студент Николас Гуэрин-Сапата построили вычислительные модели, которые копируют местные детали структуры рисунка «елочкой». Эти модели объяснили, что повреждение напряжения может быть более однородно распределено, смягчив катастрофическую структурную неудачу. Тестирование сжатия 3D печатающего биоподражательного соединения также помогло доказать, что структура рисунка «елочкой» делает регион воздействия еще более эффективным, чем периодический регион в перераспределении напряжения и отклонении трещин.
«В то время как вычислительные результаты моделирования дали нам востребованное подтверждение перераспределения усилий в этих структурах, «ничего себе», момент наступил, когда мы проверили наши 3D образцы печати», заявила Guarin-Запата.Кисэйлус сказал, что открытие очень ударопрочной структуры рисунка «елочкой» добавляет новое вдохновение, поскольку его команда проектирует следующее поколение материалов для множества заявлений, включая космос, автомобильный и броня.
«Креветка богомола обжимного пресса развила этот исключительно сильный и ударопрочный клуб дактиля для одной основной цели – чтобы быть в состоянии поесть. Однако, чем больше мы узнаем об этом крошечном существе, и это – многослойные структурные проекты, тем больше мы понимаем, насколько это может помочь нам, поскольку мы проектируем лучшие самолеты, автомобили, спортивный инвентарь и броню», сказал Кисэйлус.Кисэйлус сказал, что недавние достижения в 3D методах печати и моделирование облегчают чем когда-либо переводить оружие креветок богомола на новые материалы.
«При помощи 3D методов печати как используемые командой Цаваттьери, мы можем на самом деле взять то, что мы узнали об архитектуре клуба дактиля и производим новые соединения с традиционными техническими материалами как полимеры и углеволокно», сказал Кисэйлус. На самом деле он говорит, что его команда уже изготовляет второе поколение соединений, которое включает не только поглощающий энергию компонент, но и жесткий внешний слой, вдохновленный богомолом.
Он продемонстрировал это, произведя шлем с этим твердым покрытием.