Para peneliti mengembangkan metode untuk merancang bahan sintetis dan dengan cepat mengubah desain menjadi kenyataan menggunakan optimasi komputer dan 3-D.
Para peneliti yang bekerja untuk merancang bahan-bahan baru yang tahan lama, ringan dan ramah lingkungan semakin mencari komposit alami, seperti tulang, untuk inspirasi: Tulang kuat dan tangguh karena dua bahan penyusunnya, protein kolagen lunak dan mineral hidroksiapatit kaku, disusun dalam pola hierarkis kompleks yang berubah pada setiap skala komposit, dari mikro hingga makro.
Sementara peneliti telah menemukan struktur hierarkis dalam desain bahan baru, beralih dari model komputer ke produksi artefak fisik telah menjadi tantangan yang terus-menerus. Ini karena struktur hierarkis yang memberi kekuatan alami pada komposit alami dirakit sendiri melalui reaksi elektrokimia, suatu proses yang tidak mudah direplikasi di laboratorium.
Kredit gambar: Shutterstock / Thorsten Schmitt
Sekarang para peneliti di MIT telah mengembangkan pendekatan yang memungkinkan mereka untuk mengubah desain mereka menjadi kenyataan. Hanya dalam beberapa jam, mereka dapat bergerak langsung dari model komputer multiskala bahan sintetis ke pembuatan sampel fisik.
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan online 17 Juni di Advanced Functional Materials, associate professor Markus Buehler dari Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan dan rekan penulis menggambarkan pendekatan mereka.Menggunakan desain yang dioptimalkan oleh komputer dari polimer lunak dan kaku yang ditempatkan dalam pola geometris yang mereplikasi pola alaminya sendiri, dan 3-dimensi dengan dua polimer sekaligus, tim menghasilkan sampel bahan sintetis yang memiliki perilaku patah seperti tulang. Salah satu sintetisnya 22 kali lebih tahan terhadap fraktur daripada material penyusunnya yang paling kuat, suatu prestasi yang dicapai dengan mengubah desain hierarkisnya.
Dua lebih kuat dari satu
Kolagen dalam tulang terlalu lunak dan elastis untuk dijadikan bahan struktural, dan mineral hidroksiapatit rapuh dan rentan patah. Namun ketika keduanya bergabung, mereka membentuk komposit luar biasa yang mampu memberikan dukungan kerangka bagi tubuh manusia. Pola hierarkis membantu tulang menahan patah dengan membuang energi dan mendistribusikan kerusakan pada area yang lebih besar, daripada membiarkan materi gagal pada satu titik.
"Pola geometris yang kami gunakan dalam bahan sintetis didasarkan pada yang terlihat pada bahan alami seperti tulang atau nacre, tetapi juga termasuk desain baru yang tidak ada di alam," kata Buehler, yang telah melakukan penelitian ekstensif pada struktur molekul dan fraktur. perilaku biomaterial. Rekan penulisnya adalah mahasiswa pascasarjana Leon Dimas dan Graham Bratzel, dan Ido Eylon dari produsen 3-D Stratasys. “Sebagai insinyur kami tidak lagi terbatas pada pola alami. Kami dapat mendesain sendiri, yang mungkin berkinerja lebih baik daripada yang sudah ada. ”
Para peneliti menciptakan tiga bahan komposit sintetis, masing-masing setebal delapan inci dan sekitar 5 kali 7 inci. Sampel pertama mensimulasikan sifat mekanik tulang dan nacre (juga dikenal sebagai induk mutiara). Sintetis ini memiliki pola mikroskopis yang terlihat seperti dinding bata-dan-mortir yang terhuyung-huyung: Polimer hitam lembut berfungsi sebagai mortir, dan polimer biru kaku membentuk batu bata. Komposit lain mensimulasikan mineral kalsit, dengan pola bata-dan-mortir terbalik yang menampilkan bata lunak yang tertutup dalam sel polimer kaku. Komposit ketiga memiliki pola berlian menyerupai kulit ular. Yang ini dirancang khusus untuk meningkatkan satu aspek kemampuan tulang untuk menggeser dan menyebarkan kerusakan.
Langkah menuju 'metamaterial'
Tim mengkonfirmasi keakuratan pendekatan ini dengan menempatkan sampel melalui serangkaian tes untuk melihat apakah bahan baru patah dengan cara yang sama seperti rekan-rekan mereka yang disimulasikan komputer. Sampel lulus tes, memvalidasi seluruh proses dan membuktikan kemanjuran dan akurasi desain yang dioptimalkan komputer. Seperti yang diperkirakan, bahan seperti bonek terbukti menjadi yang terberat secara keseluruhan.
"Yang paling penting, percobaan mengkonfirmasi prediksi komputasi dari spesimen seperti bonel yang menunjukkan resistensi fraktur terbesar," kata Dimas, yang merupakan penulis pertama makalah ini. "Dan kami berhasil membuat komposit dengan ketahanan patah lebih dari 20 kali lebih besar dari konstituen terkuatnya."
Menurut Buehler, proses tersebut dapat ditingkatkan untuk menyediakan cara yang efektif dari bahan pembuatan yang terdiri dari dua atau lebih konstituen, disusun dalam pola variasi apa pun yang dapat dibayangkan dan disesuaikan untuk fungsi tertentu di berbagai bagian struktur. Dia berharap bahwa pada akhirnya seluruh bangunan dapat diperbaiki dengan bahan-bahan yang dioptimalkan yang menggabungkan sirkuit listrik, pipa ledeng dan pemanenan energi. "Kemungkinannya tampak tak terbatas, karena kami baru saja mulai mendorong batas-batas jenis fitur geometris dan kombinasi material yang kami bisa," kata Buehler.
Melalui MIT