(החדשה של המחקר במדעי החומרים היא לעצב מחדש את הדרך בה מהנדסים ומעצבים חושבים על ⁇ מתכת.במקום להסתמך רק על אינטואיציה אנושית או כוח רוטט חישובי, החוקרים פונים למיליארדי שנות R&D. התוצאה היא מחלקה חדשה של חומרים הידועים כ-FLT:0bio-inspired MetalsFLT:1 - מהנדס כי ללוות מתכות מבניות ואורגניזמים פונקציונליים אלה, אפילו חומרים קשים, כדי לספק חומרים מסוכנים, עם כוח חיים של כוח חיים, אפילו, כוח חיים פונקציונליים, אפילו.

מה הם Bio-inspired Metal Alloys?

⁇ מתכת בהשראת ביולוגית הם חומרים מתכתיים מעשה ידי אדם אשר העיצוב מושפע ישירות על ידי המבנים, אדריכלות, או מנגנונים שנמצאו בטבע.בניגוד ציפויים ביומטיים פשוטים או תבניות משטח, ⁇ אלה משלבים עקרונות ביולוגיים לתוך ההרכב הגדול שלהם ומיקרו-מבנה.המטרה היא להשיג תכונות כי הם קשים או בלתי אפשריים להשיג עם עיצוב ⁇ קונבנציונלי - למשל, מתכת היא חזקה מאוד ומדורגת מאוד, או אחד יכול לשחזר נזק חיצוני ללא עייפות.

המושג של פיראטיות ביולוגית בחומרים מדע אינו חדש.דוגמאות מוקדמות כוללות חיקוי המבנה השכבתי של פגזים mollusk כדי ליצור קרמיקה קשוחה יותר.עם זאת, החלת הרעיונות האלה מתכות כבר איטי יותר בגלל האתגרים המעורבים בשליטה על מיקרו מבנים מתכתיים בקנה מידה מרובים.התקדמות חדשה בייצור תוספים (3D הדפסה), דיפולציה גבוהה, ומודל חישובי הפכו עכשיו למגרשים כדי לשכפל מתכות.

עקרונות עיצוב ומפתחים

הטבע מעסיק קומץ אסטרטגיות חוזרות כדי להשיג ביצועים מכניים יוצאי דופן.עקרונות אלה, כאשר מתורגם לסגסוגת מתכת, יכולים לשפר באופן קיצוני את התנהגותם.

המונחים: Hierarchical Structuring

חומרים ביולוגיים כמו עצם, עץ, ונשמל שיניים מאורגנים על פני קשקשים רבים - מהרמה המולקולרית עד תכונות מאקרוסקופיות. היררכיה זו מאפשרת להם לשלב נוקשות, קשיחות, אורנות.במתכת בעלת השראה ביולוגית, מעצבים יכולים לשכפל זאת על ידי מבנים הנדסיים, precipitates, ו porosity בקנה מידה שונה.

מנגנונים עצמיים

אורגניזמים חיים רבים יכולים לתקן נזק קטין אוטונומי - חתך על העור מרפא, סירוג העצם שבור יחד. מדענים החלו להטמיע יכולות דומות ⁇ מתכת. גישה אחת כרוכה בפיזור חלקיקים זעירים, צורה-זיכרון בכל ממטריקס המתכת. כאשר סדקים, חלקיקים אלה עוברים שלב המפעיל מתח דחוס על הפנים, ביעילות סוגר אותם.

מבנה גרפי

הטבע משתמש בחומרים אחידים. Bamboo, למשל, יש צפיפות גבוהה מן העור החיצוני שלה אל הפיית הפנימית שלה, קידוד קשיחות מתכווצת תוך צמצום משקל. בדומה, לנטואון האנושי יש מעבר הדרגתי מרקמות מינרלים קשיחות להתנגשות רכות. תרגם זה למתכות, חוקרים יוצרים FLT:0functionald alloysLTFalpher: איפה גודל גרגר או שלב גרגרי זה יכול לשפר את הפחתת מתחים פתאומיים או מבוכים באופן פתאומיים.

אופטימיזציה של Stiffness-to-Weight

ציפורים משיגות טיסה קלה על ידי שיש עצמות חלוקות עם סטרוטים פנימיים - אופטימיזציה של קשיחות לכל מסה יחידה. קצף מתכת ומבנים צמיגים בהשראת עיצובים כאלה הם עכשיו נפוצים בהנדסה קלה.עם זאת, ⁇ בהשראת ביולוגית הולך רחוק יותר על ידי שילוב ארכיטקטורות אלה עם שכבת משטח צפופה, מזיק-סובלנית, מחקה את הממשק העור של חיות רבות.

סוגי ביו-שראה Metal Alloys

כמה משפחות של ⁇ מתכת בהשראת ביולוגית הופיעו, כל ציור ממודל ביולוגי ספציפי.

נאקר-בעור (אמא-of-Pearl) Alloys

Nacre - הציפוי הפנימי של ים - ידוע על הקשיחות המדהימה שלו, למרות שהוא מורכב בעיקר של פחמן סידן רזים. הסוד שלה שוכן מיקרון "brick-and-mortar": טבליות aragonite קשיח (bricks) מופרדים על ידי שכבות דקות של פולימר אורגני רך (mortar) כאשר מפיץ, זה חייב לקחת נתיב מטושטש סביב לוחות מכניקה מסיבית מאוד, 000 זה, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000, 000, 000 חזק יותר, 000 סגסוגת כי הם קרמיקה, 000 חזק, 000 חזק, 000 סגסוגת קשה כי הם קרמיקה, 000 סגסוגת כי הם קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 סגסוגת קשה מאוד, 000 סגסוגת קשה מאוד, 000 קרמיקה, 000 חזק יותר חזק יותר חזק יותר, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שם מקור: Alloys

העצם הוא תרכובת טבעית של קולגן (רכה, גמיש) ו הידרוקסיפטיט (קשה, גרד) המבנה ההיררכי שלה - מ גבישי מינרלים ננומטריים ועד לקניות מאקרוסקופיות - נותן העצם איזון מצוין של כוח והתנגדות שבר.B-inspired מתכת עבור שתלים אורתודוודיים, כגון titan-niobium-theium-themicron-naconcular-en) תכונות אלה הם סגסוגת עצם אחורית ( ⁇ d) עם מגוריד ( ⁇ אחורית).

ספיידרמן - Alloys

משי עכביש הוא אחד החומרים הטבעיים הקשים ביותר, שילוב של כוח רבנים גבוה עם גמישות יוצאת דופן.הסוד שוכן במבנה המולקולרי שלה: ⁇ גליון ננוקריסטלs משובצים במטריקס חלבון לא מאומת, גמיש.במת מתכות, החוקרים ניסו לשכפל זאת על ידי יצירת nanocomposites שבו קשיח, ננוקריסטלים ארוכים (למשל, carbides אוtri) הם יעילים עבור סגסוגת מתכתית, כמו סגסוגת יעילה יותר.

Wood-Inspired Metals

עץ הוא חומר סלולרי עם תאים מוארכים (טרכידים) היישר לאורך כיוון הצמיחה של העץ. Anisotropy זה נותן נוקשות גבוהה עץ לאורך הדגנים, אך מאפשר עיוותים מעברו. קצף מתכת עם נקבובים מבוקרים, מתואמים - המיוצר על ידי תצורה כיווןית או הדפסה 3D - יכול לחקות התנהגות זו הם שימושיים עבור אנרגיה (למשל, הגנה על כלי רכב) וזרימה על ידי נוזל (מתאים) באמצעות ערוצים).

Metals - טריילר לצילום: Photonic Metals

בעוד שלא בעיקר מבני, כנפיים פרפריות יש מיקרו-מבנה מורכבים המייצרים צבע מבני.על ידי העתקת דפוסים מחזוריים, תת-מיקרוניים אלה מתכות (באמצעות טכניקות כמו ליתוגרפיה של התערבות לייזר), החוקרים יכולים ליצור משטחים עם תכונות אופטיות ייחודיות - כגון השתקפות סלקטיבית, דיפרציה או השתקפות אנטי-re - עבור חיישנים אופטיים, או ציפויים קורנטיביים.

טכניקות ייצור עבור Bio-inspired Alloys

תרגום של עיצובים ביולוגיים מהרעיון למציאות דורש שיטות ייצור מתקדמות המסוגלות לשלוט במבנה בקנה מידה רב.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

טכניקות הדפסה מתכת 3D כמו אבקת לייזר היתוך ופירוק אנרגיה מכוונת לאפשר יצירת של גיאוגרפיות מורכבות, היררכיות גיאמטיות כי הם בלתי אפשרי עם הליהוק המסורתי או מאצ'ינג. מבני מינוף, ואפילו ערוצים מוטבעים עבור סוכני גימטריה עצמית ניתן לבנות על ידי שכבה.זה המסלול הישיר ביותר לייצור שתלים מנטטיים או נומר-פראטים פנימיים עם לבנים מורכבים.

מספר עיוותים פלסטיים (SPD)

טכניקות כמו angular לחיצה (ECAP) ו סיקור גבוה (HPT) יכול לחדד מבנים דגנים למטה בסולם ננומטר, יצירת מתכות חזקות יותר.על ידי שילוב SPD עם טיפולים חום, החוקרים יכולים לייצר מבנים ⁇ - לדוגמה, שכבת משטח ננוקריסטלית אשר בהדרגה מעבר אל פנים coarse-gomed, מחקה את המבנה של שיניים או מבוק.

עצמי - אכזבה ופיתוי

לעתים קרובות מערכות ביולוגיות משתמשות בתבניות הערכה עצמית (למשל, חלבונים מתקפלים לצורות מדויקות) במותגות, החוקרים משתמשים בתבניות - כגון מיקרוספירציות פולימריות מסודרות - אשר מאוחר יותר הוסרו, משאירים מאחור נקבוביות בגודל מבוקר. לחלופין, ריצוף לגונה יכול ליצור דפוסים קבועים מאוד, אשר מועברים לסרט מתכת באמצעות אלקטרודה או זיהום פיזי.

עקבו אחרי Sacrificial Phases

עבור מתכות ⁇ היררכיה, שיטה נפוצה היא לערבב אבקת מתכת עם חומר הקרבי (למשל, מלח או פולימר חרוזים), קומפקטי את התערובת, ולאחר מכן להסיר באופן סלקטיבי את השלב הקרבי באמצעות פירוק או פירוק תרמי.ה. ה pores הנותרים ניתן לשנות עוד כדי ליצור התפלגות בגודל רב-ממדי, בדומה לרשת הvascular in העצם.

יישומים בתעשיות

⁇ מתכת בהשראת ביולוגית אינם מוגבלים למעבדה; הם כבר מאומצים ביישומים נישה, עם היערכות רחבה יותר באופק.

תעופה ואוויר

הצורך בחומרים קלים, חזקים יותר, ונזקים יותר הוא חריף בתוך חלל. Nacre-inspired אלומיניום-matrix נבדקים עבור לוחות וכנפיים, המציע חיסכון במשקל תוך שמירה על התנגדות השפעה. עצם בהשראת סגסוגת טיטניום היררכי כבר נחשב רכיבי ציוד נחיתה העוברים עומס אופניים עצמי.

השתלות ביו-רפואי

שתלים אורתופדיים הם התאמה טבעית עבור ⁇ בהשראת העצם. Porous titanium ו- tantalum scaffolds עם עצמות-mimetic גמישים Moduli להפחית את הלחץ מגן ולקדם רקמות ingrowth. AFLT:02022 מחקר ב-Journal של התנהגות מכנית של חומרים ביו-רפואיים 1LT:1 הוכח כי Ti-NbZr מבנים עם סגסוגת חיה דומה.

רכב ותחבורה

ירידה במשקל היא קריטית עבור כלי רכב חשמליים להרחיב את טווח.עץ בהשראת מתכות סלולריות ו ⁇ מבוסס ⁇ ⁇ משמש לייצור מבנים מתפתלי התרסקות כי הם קלים יותר פלדה קונבנציונלי או אלומיניום חותמות. לדוגמה, פורד ניסיון עם 3D-rated ליטיce לוחות ליבה בהשראת מבנה העצם הטרביטרי, השגת ירידה במשקל 30% בביצועים Bpil-A-A-A-Apertice בעוד שמירה על רכיבי מתכת עצמיים.

אנרגיה ודור כוח

להבים טורביין וחילופי חום יכולים ליהנות מאדריכלות בהשראת ביולוגית.ממתים פוטוניים בהשראת פרפר נחקרים עבור ציפוי קירור רדיואקטיבי על צמחי כוח סולאריים מרוכזים.ג. Gas טורבינות עם ערוצי קירור פנימיים המחקים את רשתות החשופות של עלים הראו יותר חום אחיד וצמצום כתמים חמים, כפי שדווחו ב-FLT:0ASME Tur23 נייר 20Fread זה יכול לשפר את הטמפרטורות תגובה גבוהה יותר.

ציוד ספורט ומוצרים צרכניים

ראשי מועדון גולף, מסגרות אופניים, ומצעים טניס הם מאמצים מוקדמים של ⁇ מתכת בהשראת ביולוגית, במיוחד אלה עם ⁇ או מבנים סלולריים. Nacre-inspired מגנזיום מורכב, למשל, משמשים בגלגלים אופניים עתירי גבוה כי הם רטטים לח יותר מאשר סיבי פחמן בעת המציעים סגסוגת בהשראת עודף גבוה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההבטחה, כמה מהמכשולים נותרו לפני שסגסוגת מתכת בהשראת ביולוגית הופכת למיינסטרים.

ייצור סקאלה

הפגנות בקנה מידה מעבדה רבות של מבנים בהשראת ביולוגית מסתמכות על הדפסה תלת-ממדית או SPD, אשר איטי ויקרים. עבור תעשיות הרכב או הבנייה, טכניקות ייצור המוניות יעילות-ייצור עלות-תועלת חייב להיות מפותח.לדוגמה, יצירת מבנה דמוי-לבן-וזכר על פני אזורים גדולים באמצעות ליהוק קונבנציונלי או שיטות עדיין לא סבירים חוקרים הם חוקרים ממעבדים-toroll-toroll-toroll ותהליכי ליהת מתקדם כי תבניות הרדאר יכול להיות דפוסים לא-רכימותיים.

עייפות וגמישות

בעוד ⁇ בהשראת ביולוגית לעתים קרובות להראות תכונות סטטיות מרשים, ההתנהגות שלהם תחת טעינה מחזורית - חיוני עבור רוב היישומים מבניים - הוא פחות נחקר.התכונות מאוד כי משפרות קשיחות (ממשקים רכים, pores) יכול גם לפעול כמו אתרי סדקים תחת עייפות. עיצוב ⁇ כי לשמור את היכולת העצמי שלהם על פני מיליוני מחזורים, או כי לשמור על מבנים ⁇ ללא coarsing, דורש הבנה עמוקה יותר של יציבות מיקרו-טווח ארוך.

סטנדרטיזציה ובדיקה

חומרים בעלי השראה ביולוגית יש לעתים קרובות תכונות לא אחידות, אנזוטרופיות שמאתגרות סטנדרטים קיימים של בדיקות.פרוטוקולים חדשים נדרשים לאפיין חומרים היררכיים ולנבא את הביצועים שלהם בשירות. ארגונים כמו ASTM International החלו לפתח סטנדרטים עבור מבנים ליטיצ'ים המיוצרים באופן תוספתי, אבל הרבה עבודה נשארת.

שילוב עם תאומים דיגיטליים

עתיד ⁇ המופנית עשוי לשקר בזרימות עיצוב דיגיטליות המשלבות מודלים סופיים של יישום עם למידת מכונה.על ידי הכשרת מודלים על כללי העיצוב של הטבע - כגון אלה מ FLT:0biomimetic מסדי נתונים מובנים 1 - מהנדסים יכולים לחקור במהירות חללי עיצוב עצומים עבור מבני מיקרו אופטימליים.

השפעה סביבתית וכלכלית

⁇ בהשראת ביולוגית הם בדרך כלל מורכבים יותר לייצר, אשר עשוי להגדיל את העלות צריכת האנרגיה. עם זאת, אם הם מאפשרים מוצרים קלים יותר, ארוך טווח, את היתרונות מחזור החיים יכול לעלות על טביעת הרגל הייצור הראשונית. [+] מחקר עתידי צריך לכלול ניתוח מחזור חיים כדי לכמת רווחים סביבתיים נטו - למשל, צריכת דלק מופחתת במטוסים מפחתת פליטות ייצור גבוהות יותר.

מסקנה

⁇ מתכת בהשראת ביולוגית מייצגים שינוי פרדיגמטי בעיצוב חומרים - אחד שנראה לטבע לא רק עבור נכס אחד, אבל עבור מערכות משולבות שלמות של כוח, קשיחות, אורנות ופונקציונליות. מן החירכיים של עצם ו nacre למנגנוני החישה העצמי שנמצאו רקמות חי, ⁇ אלה הם פתחים משטרים ביצועים כי פעם לא ניתן היה לחשוב כמו טכנולוגיות מתקדמות יותר, כלים גמישים של מעבדה, כדי לקדם את כל הזמן, כדי לקדם את כל דבר טוב יותר, כדי לקדם את כל דבר, כדי לקדם את הכלים היומיומיים יותר, כדי לקדם את כל הזמן, כדי לקדם את כלי מעבדה, כדי לקדם את כל הזמן, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל כך בטוח יותר, כדי לקדם את כל דבר יותר, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל כלי מעבדה, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל חומר בטוח יותר, כדי לקדם את כלי מעבדה, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את זה, כדי לקדם את זה יכול להיות בטוח יותר, כדי לקדם את כל כך הרבה יותר, כדי לקדם את