Une étude révèle que la microstructure de l'os de seiche est légère, rigide et tolérante aux dommages

Revue par Emily Henderson, B.Sc.12 sept 2020

Ling Li a une leçon dans l'un de ses cours de génie mécanique sur la façon dont les matériaux fragiles comme le carbonate de calcium se comportent sous le stress. Dans celui-ci, il prend un morceau de craie composé du composé et le claque en deux pour montrer à ses élèves le bord de l'un des morceaux cassés. La rupture est directe et directe.

Ensuite, il tord une deuxième pièce, ce qui entraîne des éclats plus tranchants cassés à un angle de 45 degrés, indiquant la direction la plus dangereuse de la tension de traction sur la craie. La craie cassée aide Li à démontrer ce que le carbonate de calcium fragile fera sous des forces normales: il a tendance à se fracturer.

« Si vous le pliez, il se cassera », a déclaré Li.

Dans le laboratoire de Li pour les matériaux biologiques et bio-inspirés, de nombreux animaux marins qu'il étudie pour leurs matériaux de structure biologique ont des parties en carbonate de calcium. Certains mollusques l'utilisent dans des cristaux photoniques qui créent un affichage de couleurs vives, « comme les ailes d'un papillon », a déclaré Li. D'autres ont des yeux minéraux construits avec, dans leurs coquilles. Plus Li étudie ces animaux, plus il est étonné par les utilisations que leur corps trouve pour un matériau intrinsèquement fragile et fragile. Surtout quand l'utilisation défie cette fragilité.

Dans une étude publiée par Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, L'équipe de recherche de Li s'est concentrée sur la seiche, un autre de ces animaux inventifs construits à la craie et un voyageur des profondeurs de l'océan.

Les chercheurs ont étudié la microstructure interne de l'os de seiche, la coquille interne très poreuse du mollusque, et ont découvert que la conception unique de «cloisons murales» chambrées de la microstructure optimisait l'os de seiche pour qu'il soit extrêmement léger, rigide et tolérant aux dommages. Leur étude porte sur les stratégies de conception de matériaux sous-jacentes qui confèrent à l'os de seiche ces propriétés mécaniques de haute performance, malgré la composition de la coquille principalement en aragonite fragile, une forme cristalline de carbonate de calcium.

Dans l'océan, la seiche utilise l'os de seiche comme réservoir de flottabilité dur pour contrôler son mouvement de haut en bas dans la colonne d'eau, à des profondeurs aussi basses que 600 mètres. L'animal ajuste le rapport gaz / eau dans ce réservoir pour flotter ou descendre. Pour atteindre cet objectif, la coquille doit être légère et poreuse pour un échange de liquide actif, mais suffisamment rigide pour protéger le corps de la seiche d'une forte pression de l'eau lorsqu'elle plonge plus profondément. Lorsque l'os de seiche est écrasé par la pression ou par la morsure d'un prédateur, il doit être capable d'absorber beaucoup d'énergie. De cette façon, les dommages restent dans une zone localisée de la coquille, plutôt que de briser tout l'os de seiche.

La nécessité d'équilibrer toutes ces fonctions est ce qui rend l'os de seiche si unique, a découvert l'équipe de Li en examinant la microstructure interne de la coquille.

doctorat Ting Yang, étudiant et co-auteur de l'étude, a utilisé la tomographie micro-calculée au synchrotron pour caractériser la microstructure de l'os de seiche en 3D, pénétrant dans la coquille avec un puissant faisceau de rayons X du laboratoire national d'Argonne pour produire des images haute résolution. Elle et l'équipe ont observé ce qui est arrivé à la microstructure de la coque lorsqu'elle a été comprimée en appliquant la méthode de tomographie in situ lors d'essais mécaniques. En combinant ces étapes avec la corrélation d'images numériques, qui permet une comparaison d'images image par image, ils ont étudié les processus de déformation complète et de fracture de l'os de seiche sous chargement.

Leurs expériences ont révélé plus d'informations sur la microstructure chambrée «cloisons murales» de l'os de seiche et sa conception pour un poids, une rigidité et une tolérance aux dommages optimisés.

La conception sépare l'os de seiche en chambres individuelles avec des planchers et des plafonds, ou «septa», soutenus par des «murs» verticaux. D'autres animaux, comme les oiseaux, ont une structure similaire, connue sous le nom de structure «sandwich». Avec une couche d'os dense au-dessus d'une autre et des entretoises verticales entre les deux pour le soutien, la structure est rendue légère et rigide. Contrairement à la structure en sandwich, cependant, la microstructure de l'os de seiche comporte plusieurs couches – ces chambres – et elles sont soutenues par des murs ondulés au lieu d'entretoises droites. L'ondulation augmente le long de chaque mur du sol au plafond dans un «gradient d'ondulation».

« La morphologie exacte que nous n'avons pas vue, du moins dans d'autres modèles », a déclaré Li à propos de la conception. Cette conception de cloisons murales permet aux os de seiche de contrôler où et comment les dommages se produisent dans la coquille. Il permet une défaillance gracieuse plutôt que catastrophique: une fois compressées, les chambres tombent en panne une par une, progressivement plutôt qu'instantanément.

Les chercheurs ont découvert que les parois ondulées de l'os de seiche induisent ou contrôlent la formation de fractures au milieu des murs, plutôt qu'au niveau des planchers ou des plafonds, ce qui entraînerait l'effondrement de la structure entière. Au fur et à mesure qu'une chambre subit une fracture de la paroi et une densification ultérieure – dans laquelle les parois fracturées se compactent progressivement dans la chambre endommagée – la chambre adjacente reste intacte jusqu'à ce que des pièces fracturées pénètrent dans ses planchers et plafonds. Au cours de ce processus, une quantité importante d'énergie mécanique peut être absorbée, a expliqué Li, limitant les chocs externes.

L'équipe de Li a exploré plus en détail le potentiel de haute performance de la microstructure de l'os de seiche avec une modélisation informatique. En utilisant des mesures de la microstructure effectuées avec la tomographie 3D antérieure, le chercheur postdoctoral Zian Jia a construit un modèle paramétrique, a effectué des tests virtuels qui ont modifié l'ondulation des parois de la structure et observé comment la coque se comportait en conséquence.

« Nous savons que l'os de seiche a ces murs ondulés avec un dégradé », a déclaré Li. « Zian a changé le gradient afin que nous puissions apprendre comment se comportait l'os de seiche si nous allions au-delà de cette morphologie. Est-ce mieux, ou pas? Nous montrons que l'os de seiche se trouve dans un endroit optimal. Si l'ondulation devient trop grande, la structure est moins rigide. Si les ondes deviennent plus petites, la structure devient plus cassante. L'os de seiche semble avoir trouvé un sweet spot, pour équilibrer la rigidité et l'absorption d'énergie. « 

Li voit des applications pour la conception microstructurale de l'os de seiche dans les mousses céramiques. Parmi les mousses utilisées pour la résistance à l'écrasement ou l'absorption d'énergie dans l'emballage, le transport et les infrastructures, les matériaux polymères et métalliques sont les choix les plus populaires. Les mousses céramiques sont rarement utilisées car elles sont cassantes, a déclaré Li. Mais les céramiques ont leurs propres avantages uniques: elles sont plus stables chimiquement et ont une température de fusion élevée.

Si les propriétés de l'os de seiche pouvaient être appliquées aux mousses céramiques, leur capacité à résister à une chaleur élevée associée à une nouvelle tolérance aux dommages pourraient rendre les mousses céramiques idéales pour une utilisation comme unités de protection thermique dans les navettes spatiales ou comme protection thermique générale, estime Li. Son équipe a évalué cette application dans une étude distincte.

Bien que l'équipe ait déjà commencé à regarder de la mer vers le ciel les possibilités qu'inspire l'os de seiche, leur étude des stratégies de conception fondamentales de la coquille est tout aussi importante pour Li.

« La nature fabrique beaucoup de matériaux structurels », a déclaré Li. «Ces matériaux sont fabriqués à température ambiante et à pression atmosphérique régulière, contrairement aux métaux, qui peuvent être préjudiciables à l'environnement à produire – vous devez utiliser des températures élevées et des procédés de réfraction pour les métaux.

« Nous sommes intrigués par de telles différences entre les matériaux structurels biologiques et les matériaux structurels techniques. Pouvons-nous faire le lien entre ces deux éléments et fournir des informations sur la fabrication de nouveaux matériaux structurels? »