Природа дает уникальное представление о стратегиях проектирования, разработанных живыми организмами для создания прочных материалов. В этом случае исследовательская группа смогла создать новый ударопрочный материал, вдохновленный дактильной дубинкой креветок-богомолов. Новый материал можно использовать в приложениях, где требуется выдерживать повторяющиеся удары с высокой скоростью деформации при сохранении структурной целостности. Результаты исследования опубликованы 1 сентября 2021 года в журнале Advanced Materials.

Исследовательской группе VTT удалось разработать и произвести минерализованный биокомпозит, демонстрирующий высокую прочность , жесткость и трещиностойкость, который напоминает архитектурный дизайн дактильной дубинки креветок-богомолов.

«Эти завораживающие креветки — одна из самых смертоносных машин для убийства в природе. Что касается их небольшого размера, они наносят самый сильный удар в животном мире. Они разбивают свою добычу, бросая пару похожих на молот хищных придатков с огромной скоростью и большей силой. чем винтовочные пули во время охоты с близкого расстояния », — объясняет доктор Пежман Мохаммади, научный сотрудник VTT. «Основными источниками пищи креветок-богомолов являются морские организмы с твердым панцирем, такие как моллюски. Чтобы добраться до мягкой, питательной части, они уничтожают эти высокоминерализованные экзоскелеты».

Более ранние исследования показали, что клюшка представляет собой многофазный иерархически упорядоченный нанокомпозит с различными механическими свойствами. «Клуб имеет мягкий внутренний слой , обеспечивающее рассеивание энергии и жесткую, жесткое и ударопрочный внешний слой. Вместе слои повысить общую стойкость к повреждениям от клуба . Оба слоя имеют схожие строительные блоки, но в другом относительном содержании, полиморфная форма и организация. «Главный строительный блок — это спирально упорядоченные нано-фибриллы хитина, которые склеены вместе богатой белком матрицей», — говорит Мохаммади.

Объединение нанокристаллов целлюлозы и белков

Исследовательская группа воспроизвела эту структуру, используя аналогичные строительные блоки и условия обработки. Они собрали новый композит, который состоит из нанокристаллов целлюлозы и двух типов генно-инженерных белков. Один белок был разработан для увеличения межфазной прочности материала, а другой — для обеспечения зародышеобразования и роста кристаллов гидроксиапатита. Этот новый композит был переработан в сложные формы путем изготовления из него коронки зубного имплантата с периодическими узорами ориентации микроупрочнения и двухслойной архитектурой, подобной человеческим зубам. При дальнейших исследованиях можно было бы модифицировать белки, чтобы придать материалу новые характеристики.

Для будущих приложений масштабируемость и условия обработки материала нуждаются в доработке.