制作盔甲新材料：仿蝦殼新型復合材料
幾個博士生TaoQu、Devendra Verma、Yang Zhang和Chandra Prakash一起，他們對比了深海脊盲蝦和淺海點蝦的外骨骼。這種深海蝦生存在距離海面2000米的火山熱液噴口附近，那里的溫度超過了400攝氏度，相反淺海蝦只生存在海洋淺層。
“我們想搞清楚進化是如何影響這兩種蝦類外骨骼的材料變化，使得它們能在完全不同的環境中很好的生存。”Tomar說。
研究這種材料的復合分子反應，有助于設計能夠承受極端環境的新式人造盔甲。
關于這項新研究的論文于7月2日在線發布，也將會刊登在Acta Biomaterialia.雜志上。這批研究人員最近的另外兩篇論文是主要是關于這種蝦的外骨骼的試驗。
研究者正在探索外骨骼的兩個關鍵元素之間的標準界面傳熱系數：一種是蛋白質稱為甲殼質，還有另一種類骨骼礦物稱為方解石。這兩種類型的材料-一種是有機和一種是無機的，它們之間的標準界面傳熱系數是決定外骨骼外在表現的關鍵。
利用實驗的電子顯微鏡掃描和電子衍射能譜的技術，研究和分析了10份外骨骼樣本，揭示了其中的結構和化學成份的細節。
這些兩個物種的外骨骼都具有相同的微觀結構：甲殼質、方解石和其他一些成份排列成分層的螺旋狀結構，就像螺旋樓梯一樣。然而，還是顯示出結構中的一些不同之處：密度、厚度還有礦物質的含量。深海蝦的外骨骼擁有更密集的結構。
令他們吃驚的是，研究人員發現淺海蝦的外骨骼比深海蝦強韌10倍。
“直觀上，你會認為密集的結構會更結實，實際卻恰恰相反。”托馬爾說。
最新的研究在于探索甲殼質和方解石之間的標準界面傳熱系數，以及這些機制對于外骨骼性能的影響。這有助于確定這種結構是如何轉移壓力的。
結果顯示深海蝦的外骨骼是柔軟的，但能夠承受高溫和極端的壓力。淺海蝦的外骨骼是堅硬的，有利于抵御掠食者。
“雖然擁有相同的微觀結構，但它們是完全不同的材料。”Tomar說。
通過建模模擬材料相互的作用求出界面粘度，有助于更精確地對高分子陶瓷復合材料的應力應變建模。研究人員據此開發了一種“粘塑性定律”或者說數學方程式。
傳統的高分子陶瓷復合材料模型的不足之處在于，該模型的關鍵是處于峰值強度，但是材料更有可能是由于高度的張力或者拉力而失效。
“雖然我們已經有了失效理論，但該理論是通過強度來預測的。”托馬爾說。“對于這些材料來說，張力更為至關重要的，所以為了確保它們不被破壞，必須保持在某一水平下的形變。”
研究結果主要在于水在為外骨骼的分子結構提供強度上，扮演了至關重要的角色。研究人員還創建了一個“標準界面傳熱參數”來模擬特定組合的復合材料的可能表現，鑒于化學成份、微觀結構和界面參數的類型。
本科生Milad Alucozai同時也是Acta Biomaterialia雜志的一名編輯，他是12名獲得愛爾蘭米切爾研究生獎學金的美國學生之一。他是普渡大學第一個米切爾獎學金獲得者。
該研究團隊與維也納技術大學共同合作研究人類骨骼和膠原蛋白之間標準界面的傳熱系數以及骨骼隨時間的演變。這項研究結果會在4月的材料研究學會通報里詳細說明。這一發現對模擬醫療植入物的行為做出巨大貢獻。
