Броня из раковины моллюска

О том, что бионика постоянно подсказывает разработчикам оборонной техники решения, на несколько порядков превосходящие по парамет­рам современные образцы, Technowars уже писал (см. статью «Рыба в “адаптивном бронежилете”»). Очередную подсказку ученым дала раковина моллюска — точнее, ее внутренний перламут­ровый слой. 14 Июль 2015, 22:24
Пытающихся сломать раковину мидии или других морских моллюсков ждет сюрприз: при минимальной ее толщине сделать это не так-то просто. Секрет, как недавно установили ученые, заключается в особой структуре перламутрового слоя, покрывающего раковину изнутри. Его прочность в 2000 раз выше, чем прочность арагонита (одна из природных форм карбоната кальция), из которого он состоит. Дело в том, что слой похож по структуре на современную комбинированную броню: твердые, но хрупкие микроскопические шестиугольные элементы из арагонита толщиной всего полмик­рона и шириной до 20 микрон расположены послойно с зазорами и связаны эластичным биополимером (например, хитином). Кстати, этим объясняются радужные отблески на поверхности перламутра: чешуйки арагонита сравнимы по размеру с длиной волны видимого света, поэтому вызывают его преломление.
Чешуйчатая структура перламутра объясняет его высокую прочность (фото: wikimedia.org)
В 2008 году в журнале Science была опубликована статья Роберта Ритчи (Robert Ritchie) и его коллег из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Ученые решили создать сверхпрочный керамический материал, искусственно воспроизведя структуру перламутра. Роль твердой основы сыграла водная суспензия оксида алюминия с добавлением полимерного пластификата. Микрокристаллы, получавшиеся при управляемом замораживании суспензии, образовывали нужную структуру, в 300 раз превосходящую по прочности составляющие ее материалы. 
Структура комбинированного материала из оксида алюминия и связующего полимера. Твердые элементы передают и распределяют нагрузку внутри структуры, чем достигается ее высокая прочность (фото: Lawrence Berkeley National Laboratory)
Вслед за своими коллегами трое сотрудников канадского Университета Макгилла — Мохаммед Миркхалаф (Mohammad Mirkhalaf), Ахмад Дастжерди (Ahmad Khayer Dastjerdi) и Франсуа Бартела (Francois Barthelat) — вдохновились строением раковины моллюсков и предложили иной подход к созданию сверхпрочного материала. Статья ученых появилась в конце января 2014 г. в журнале Nature Communications.
«Нашей задачей было взглянуть на проблему с другой стороны: начать изучение крупного блока материала, а не исходной микроструктуры». 
Франсуа Бартела (Francois Barthelat), сотрудник канадского Университета
Волнистые разрезы на стекле, проделанные сотрудниками Университета Макгилла, напоминают структуру перламутра, но в гораздо более крупном масштабе (фото: Mohammad Mirkhalaf)
Используя 3D-лазер, исследователи выжгли в стеклянных пластинах микроскопические волнистые разрезы, заполнив их пластичным полиуретаном. При этом разрезы были выполнены гораздо более крупными, чем шаг пластинок арагонита в структуре перламутра. То, что, казалось бы, должно было нарушить прочность стекла, сделало его устойчивее к ударам примерно в 200 раз. Если обычное стекло ломается при деформации всего на 0,1%, то гравированное таким образом стекло выдерживает изменение своей геометрии на 5%: изогнутые разрезы с пластификатором поглощают и рассеивают энергию, предотвращая образование трещин. По словам ученых, если предмет из такого стекла уронить на пол, то он не треснет и не разобьется, а лишь слегка изменит форму.
«Предмет, изготовленный из нашего стекла, упав, лишь слегка деформируется, не разбившись. Таким образом, его можно использовать после одного или даже нескольких падений».
Франсуа Бартела (Francois Barthelat), сотрудник канадского Университета
Сферы применения подобного материала могут быть очень разнообразны: от ударопрочных экранов смартфонов до прозрачной брони. Теоретически стекло можно заменить на «прозрачный алюминий» (см. статью «Современная броня» в Technowars) или, пожертвовав прозрачностью, на твердую керамику, что может преодолеть ее основной недостаток для применения в качестве брони — хрупкость.
Форма разрезов, напоминающих элементы детского пазла, имеет строгое научное обоснование. Этому посвящена публикация “Overcoming the brittleness of glass through bio-inspiration and micro-architecture” («Преодоление хрупкости стекла с использованием микроструктуры живых организмов»), размещенная в журнале Nature Communications в конце января 2014 г.