Większość ceramicznych materiałów konstrukcyjnych, których używamy na co dzień, ma te same wady – są kruche i charakteryzują się małą wytrzymałość na rozciąganie. W celu poprawienia tych właściwości, często wprowadza sie do materiału dodatki ciągliwej fazy metalicznej lub polimerowej. Uzupełnienie to obniża jednak twardość i sztywność ceramicznych materiałów budowlanych oraz ich stabilność w wysokich temperaturach. Nowe próby rozwiązania tego problemu podjęli naukowcy z Francji, którzy zainspirowani masą perłową pochodzącą z wnętrz muszli ślimaków opracowali ceramikę o podwyższonej odporności na kruche pękanie.
Cechami charakterystycznymi materiałów ceramicznych są: wysoka wytrzymałość na ściskanie, odporność na ścieranie, działanie wysokich temperatur i czynników chemicznych, właściwości dielektryczne i izolacyjne oraz wysoka twardość. Na skutek kowalencyjnego i jonowego charakteru wiązań między atomami w ceramice, wyroby są kruche i podatne na uszkodzenia spowodowane obciążeniami mechanicznymi lub naprężeniami cieplnymi (szoki termiczne). Trwałość wiązań nie pozwala na przemieszczanie dyslokacji w przeciwieństwie do metali, gdzie linie dyslokacji mogą się przemieszczać według mechanizmu wspinania i poślizgu. W przypadku zbyt dużego obciążenia materiału ceramicznego, miejscami pojawiania się pęknięć są istniejące wady, m.in. pory, rysy, defekty sieci krystalicznej. Ich wielkość, rozmieszczenie są zmiennymi losowymi, przez co podlegają większemu rozrzutowi wartości niż w przypadku metali.
Być może już wkrótce, jedna z największych wad materiałów ceramicznych odejdzie w niepamięć. Współpraca naukowców z Laboratoire de Synthese i Fonctionnalisation des Ceramiques (CNRS/Saint-Gobain), Laboratoire de Geologie de Lyon: Terre, Planetes et Environnement (CNRS/ENS de Lyon) oraz Laboratoire Matériaux: Ingénierie et Science (CNRS/INSA Lyon) przyniosła owoc w postaci nowego, konstrukcyjnego materiału ceramicznego, zainspirowanego macicą perłową pochodzącą ze skorupy morskiego ślimaka z rodziny słuchotek. Szczegółowe wyniki badań oraz pomiarów zostały opublikowane 23 marca 2014 roku w internetowym wydaniu czasopisma NAture Materials.
Masa perłowa (inaczej Nacre) obecna w perłach lub wnętrzach muszli niektórych małżów i ślimaków to organiczno-nieorganiczny materiał kompozytowy. Macica perłowa składa się w 90%-95% z sześciokątnych płytek z aragonitu (w postaci węglanu wapnia – CaCO3) o wymiarach 10-20 mikrometrów oraz około 0,5 mikrometra grubości. Bardzo twarde i kruche płytki są odpowiednio i ściśle uporządkowane tworząc równoległe warstwy. Bloczki scalone są ze sobą za pomocą organicznego wypełnienia, złożonego z elastycznych bio polimerów (np. chityny lub białek podobnych do tych w jedwabiu). Anizotropowa mieszanka kruchych płytek oraz cienkich elastycznych biopolimerów sprawia, że cały materiał perłowy jest wytrzymały i sprężysty (moduł Younga około 70 GPa w badaniu na sucho).
W swojej pracy francuscy badacze skopiowali strukturę masy perłowej. Naukowcy zastosowali mikroskopijne płytki z tlenku glinu, które przypominały naturalne bloczki z macicy perłowej, nanocząsteczki Al2O3 oraz dodatek fazy ciekłej SiO2-CaO. Aby uzyskać warstwową strukturę, proszek zawieszonono w wodzie destylowanej. Koloidalny roztwór był następnie stopniowo zamrażany, w celu uzyskania kontrolowanego wzrostu kryształków lodu. Dzięki nim, płytki tlenku glinu ulegały samoorganizacji w postaci stosów. Następnie próbki zostały sprasowane w celu zagęszczenia i pozbycia się większych porów. Ostatnim krokiem było spiekanie materiału w procesie wysokotemperaturowym (1300°C-1500°C).
Uproszczony schemat budowy masy perłowej w skali mikroskopowej. Brązowe bloczki to twarde i kruche płytki aragonitu, czarne nici to elastyczny materiał biopolimerowy.
Po analizie laboratoryjnej stwierdzono, że w wyprodukowanym materiale pęknięcia rozchodzą się trudem, podobnie jak w przypadku naturalnej masy perłowej (materiał był około 10 razy bardziej wytrzymały na kruche pękanie, niż standardowy spiek z proszku Al2O3). Blokowa konstrukcja skuteczniej utrudniała rozprzestrzenianie się pęknięć.
Inżynierowie podkreślają, że jedną z zalet nowej techniki jest możliwość stosowania jej z dowolnym rodzajem proszków ceramicznych, nie tylko z tlenkiem glinu. Scalanie na skalę przemysłową każdego materiału ceramicznego będzie dopuszczalne, o ile substraty będą posiadać formę płytki. Technologia umożliwi fabrykację wytrzymałych, mniejszych i lżejszych elementów bez znacznego wzrostu kosztów.
Źródło:
[1] Florian Bouville, Eric Maire, Sylvain Meille, Bertrand Van de Moortele, Adam J. Stevenson, Sylvain Deville. Strong, tough and stiff bioinspired ceramics from brittle constituents. Nature Materials, 2014; DOI: 10.1038/nmat3915
[2] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3915.html [14.04.2014]
[3] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/extref/nmat3915-s1.pdf [14.04.2014]
[4] http://www2.cnrs.fr/sites/en/fichier/trans_cp_charte_nacre_artificielle.pdf [14.04.2014]
[5] Bruchfläche eines Perlmuttstücks by Fabian heinemann, Public Domain via Wikimedia Commons
[6] Nacre microscopic structure by By Kebes, CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons