Die Forscher entwickeln Methoden, um synthetische Materialien zu entwerfen und das Design mithilfe von Computeroptimierung und 3D-Entwicklung schnell in die Realität umzusetzen.
Forscher, die an der Entwicklung neuer Materialien arbeiten, die langlebig, leicht und umweltverträglich sind, suchen zunehmend nach Inspiration für natürliche Verbundwerkstoffe wie Knochen: Knochen ist stark und zäh, da seine beiden Bestandteile, weiches Kollagenprotein und steifes Hydroxylapatit-Mineral, in angeordnet sind komplexe hierarchische Muster, die sich auf jeder Skala des Verbunds ändern, vom Mikro bis zum Makro.
Während Forscher hierarchische Strukturen für das Design neuer Materialien entwickelt haben, war der Übergang von einem Computermodell zur Herstellung physikalischer Artefakte eine ständige Herausforderung. Dies liegt daran, dass die hierarchischen Strukturen, die natürlichen Verbundwerkstoffen ihre Stärke verleihen, durch elektrochemische Reaktionen selbstorganisiert sind, ein Prozess, der im Labor nicht einfach nachgebildet werden kann.
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Jetzt haben Forscher am MIT einen Ansatz entwickelt, mit dem sie ihre Entwürfe in die Realität umsetzen können. In nur wenigen Stunden können sie direkt von einem mehrskaligen Computermodell aus synthetischem Material zur Erstellung physikalischer Proben übergehen.
In einem Artikel, der am 17. Juni in Advanced Functional Materials online veröffentlicht wurde, beschreiben Associate Professor Markus Buehler vom Department of Civil and Environmental Engineering und Co-Autoren ihre Vorgehensweise.Unter Verwendung computeroptimierter Konstruktionen aus weichen und steifen Polymeren, die in geometrischen Mustern angeordnet sind, die die natürlichen Muster nachbilden, und eines Dreidimensionalen mit zwei Polymeren auf einmal, erstellte das Team Proben aus synthetischen Materialien, die ein knochenähnliches Bruchverhalten aufweisen. Einer der Kunststoffe ist 22-mal bruchsicherer als sein stärkster Bestandteil, was durch eine Änderung seines hierarchischen Designs erreicht wird.
Zwei sind stärker als einer
Das Kollagen im Knochen ist zu weich und dehnbar, um als Strukturmaterial zu dienen, und das Mineral Hydroxylapatit ist spröde und bruchanfällig. Wenn die beiden jedoch kombiniert werden, bilden sie ein bemerkenswertes Komposit, das den menschlichen Körper auf dem Skelett stützen kann. Die hierarchischen Muster helfen, Knochenbrüchen zu widerstehen, indem sie Energie ableiten und Schäden auf eine größere Fläche verteilen, anstatt das Material an einem einzelnen Punkt versagen zu lassen.
„Die geometrischen Muster, die wir in den synthetischen Materialien verwendet haben, basieren auf denen natürlicher Materialien wie Knochen oder Perlmutt, enthalten jedoch auch neue Designs, die es in der Natur nicht gibt“, sagt Bühler, der die molekulare Struktur und den Bruch eingehend erforscht hat Verhalten von Biomaterialien. Seine Mitautoren sind die Doktoranden Leon Dimas und Graham Bratzel sowie Ido Eylon vom 3-D er-Hersteller Stratasys. „Als Ingenieure sind wir nicht mehr auf die natürlichen Muster beschränkt. Wir können unsere eigenen entwickeln, die möglicherweise noch bessere Leistungen erbringen als die, die es bereits gibt. “
Die Forscher stellten drei synthetische Verbundwerkstoffe her, von denen jedes einen Zentimeter dick und etwa 5 mal 7 Zoll groß ist. Das erste Beispiel simuliert die mechanischen Eigenschaften von Knochen und Perlmutt (auch Perlmutt genannt). Dieser Kunststoff hat ein mikroskopisches Muster, das wie eine versetzte Wand aus Ziegeln und Mörtel aussieht: Ein weiches schwarzes Polymer fungiert als Mörtel, und ein steifes blaues Polymer bildet die Ziegel. Ein anderes Komposit simuliert das Mineral Calcit mit einem umgekehrten Ziegel-Mörtel-Muster aus weichen Ziegeln, die in steifen Polymerzellen eingeschlossen sind. Das dritte Komposit hat ein Rautenmuster, das Schlangenhaut ähnelt. Dieser wurde speziell darauf zugeschnitten, einen Aspekt der Fähigkeit des Knochens zu verbessern, sich zu verlagern und Schaden zu verteilen.
Ein Schritt in Richtung „Metamaterialien“
Das Team bestätigte die Genauigkeit dieses Ansatzes, indem es die Proben einer Reihe von Tests unterzog, um festzustellen, ob die neuen Materialien auf die gleiche Weise wie ihre computer-simulierten Gegenstücke brechen. Die Proben haben die Tests bestanden, den gesamten Prozess validiert und die Wirksamkeit und Genauigkeit des computeroptimierten Designs nachgewiesen. Wie vorhergesagt, erwies sich das knochenähnliche Material insgesamt als das härteste.
"Am wichtigsten ist, dass die Experimente die rechnerische Vorhersage der knochenähnlichen Probe mit der größten Bruchfestigkeit bestätigten", sagt Dimas, der der erste Autor der Arbeit ist. „Und wir haben es geschafft, einen Verbundwerkstoff herzustellen, dessen Bruchfestigkeit mehr als das Zwanzigfache seines stärksten Bestandteils beträgt.“
Laut Bühler könnte das Verfahren auf ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Materialien ausgedehnt werden, die aus zwei oder mehr Bestandteilen bestehen, die in Mustern beliebiger vorstellbarer Variationen angeordnet und auf bestimmte Funktionen in verschiedenen Teilen einer Struktur zugeschnitten sind. Er hofft, dass schließlich ganze Gebäude mit optimierten Materialien ausgestattet werden könnten, die elektrische Schaltkreise, Wasserleitungen und Energiegewinnung beinhalten. „Die Möglichkeiten scheinen endlos zu sein, da wir gerade dabei sind, die Grenzen der möglichen geometrischen Merkmale und Materialkombinationen zu überschreiten“, sagt Bühler.
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