Thiên nhiên được biết đến với việc phát triển các vật liệu nhẹ nhưng cứng bằng cách sử dụng các vật liệu hạn chế, khiêm tốn được sắp xếp thành kiến trúc khéo léo. Lấy xà cừ làm ví dụ. Thường được gọi là xà cừ, lớp lót bên trong sáng bóng của vỏ một số động vật thân mềm là một hỗn hợp vô cơ hữu cơ bao gồm một mô hình gạch và vữa 3D làm bằng các tấm viên lục giác của aragonite, một khoáng chất cứng, được dán lại với nhau bằng một polyme sinh học mềm, siêu đàn hồi.

Một hỗn hợp xi măng có độ linh hoạt cao, chống nứt lấy cảm hứng từ kiến trúc của vỏ nhuyễn thể

Mặc dù viên aragonite rất giòn, tính linh hoạt của polyme sinh học cho phép chúng trượt để đáp ứng với ứng suất kéo, làm cho xà cừ trở thành một vật liệu cứng có thể biến dạng đáng kể trước khi gãy. Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường của Đại học Princeton đã tạo ra một hỗn hợp xi măng mới, vượt trội bằng cách bắt chước kiến trúc của xà cừ tự nhiên.

"Sức mạnh tổng hợp giữa các thành phần cứng và mềm là rất quan trọng đối với các tính chất cơ học đáng chú ý của xà cừ", Shashank Gupta, một sinh viên tốt nghiệp Kỹ thuật Princeton và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Nếu chúng ta có thể thiết kế bê tông để chống lại sự lan truyền của vết nứt, chúng ta có thể làm cho nó cứng hơn, an toàn hơn và bền hơn."

Để tạo ra vật liệu composite giống như xà cừ, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các viên lục giác từ các tấm dán xi măng và xếp lớp chúng, được phân tách bằng polyvinyl siloxane (PVS), hoạt động như polypolymer sinh học siêu đàn hồi. Phản ứng cơ học của composite sau đó đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng dầm làm từ vật liệu và so sánh với dầm được làm bằng xi măng đúc rắn (nguyên khối).

Xà cừ tự nhiên được tạo thành từ các tấm aragonite được dán lại với nhau bởi một polyme sinh học siêu đàn hồi

Các dầm được thử nghiệm uốn ba điểm (3PB), trong đó áp suất hướng xuống được đặt ở giữa dầm và áp suất hướng lên ở mỗi đầu, để đánh giá khả năng chống nứt hoặc độ bền gãy. Các thử nghiệm cho thấy dầm 'cứng' dán xi măng đúc giòn; Họ đã phá vỡ đột ngột và hoàn toàn khi họ đạt đến điểm thất bại vì họ không có sự linh hoạt (độ dẻo). Ngược lại, dầm composite giống xà cừ thể hiện độ dẻo gấp 19 lần và độ bền gãy gấp 17,1 lần của dầm điều khiển, trong khi vẫn giữ được độ bền gần như tương tự.

"Cách tiếp cận lấy cảm hứng từ sinh học của chúng tôi không chỉ đơn giản là bắt chước cấu trúc vi mô của tự nhiên mà còn học hỏi từ các nguyên tắc cơ bản và sử dụng nó để thông báo cho kỹ thuật vật liệu do con người tạo ra", Reza Moini, người đứng đầu phòng thí nghiệm Vật liệu Kiến trúc và Sản xuất Phụ gia (AM2) tại Princeton và là tác giả tương ứng của nghiên cứu cho biết. "Một trong những cơ chế quan trọng làm cho vỏ xà cừ cứng là độ trượt của viên thuốc ở mức nanomet. Ở đây, chúng tôi tập trung vào cơ chế trượt máy tính bảng bằng cách thiết kế cấu trúc lập bảng tích hợp của bột xi măng cân bằng với các tính chất của polymer và giao diện giữa chúng. Nói cách khác, chúng tôi cố tình thiết kế các khuyết tật trong vật liệu giòn như một cách để làm cho chúng mạnh hơn theo thiết kế. "

Một sơ đồ của hỗn hợp xi măng giống như xà cừ được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu

Tất nhiên, những kết quả này được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch thử nghiệm composite xi măng lấy cảm hứng từ sinh học trong môi trường thực tế và đang điều tra xem liệu các tính chất cơ học của nó có thể được sử dụng để tăng khả năng chống nứt của các vật liệu khác, chẳng hạn như bê tông và sứ hay không.

"Chúng tôi chỉ đang trầy xước bề mặt", ông Moini nói.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.

Tất nhiên, những kết quả này được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch thử nghiệm composite xi măng lấy cảm hứng từ sinh học trong môi trường thực tế và đang điều tra xem liệu các tính chất cơ học của nó có thể được sử dụng để tăng khả năng chống nứt của các vật liệu khác, chẳng hạn như bê tông và sứ hay không.

"Chúng tôi chỉ đang trầy xước bề mặt", ông Moini nói.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.