INL研究人员探讨牙釉质的特性 以开发更坚韧的陶瓷/降低清洁能源行业成本
虽然听起来有点难以置信,但小小的牙齿可能在未来的清洁能源世界发挥重要作用。牙釉质具有独特的强度和韧性,除了咀嚼和咬合,还有多种有价值的应用。开发具有同等品质的材料,可能对国家安全和清洁能源领域产生重大影响。
据外媒报道,爱达荷国家实验室(INL)的实习生和美国能源部科学办公室研究生Carli Marsico等人正在专门探讨牙釉质。美国能源部科学办公室(DOE Office of Science)向Marsico授予了一项享有盛誉的学术奖金,以便其进行研究。
该INL研究团发致力于开发更坚韧的陶瓷,以降低整个清洁能源行业的成本。这些陶瓷非常适合高温环境,经常用于环境屏障涂层和其他涡轮机部件。然而,由于陶瓷的脆性结构,必须对涡轮机部件“过度设计”,并进行加固。Marsico表示:“与牙釉质最相似的合成材料是一种单片陶瓷(monolithic ceramic),即只由一种材料制成的陶瓷。这种陶瓷在高温应用场合具有可靠性,在汽车、电气和电子、电力和国防产业中具有重要价值。”
单片陶瓷坚固耐用,不易变形,但是也很脆,韧性不足。如果掉落,很容易破碎。为了模仿牙釉质的强度和韧性,并最终将其应用于单片陶瓷,研究人员必须了解牙釉质为何具有这些特性,这需要适当的成像能力。自从Marsico与INL的建模和仿真科学家Donna Guillen开始合作以来,这一直是其研究的基础。Marsico表示:“牙釉质的结构并不适合现有的三维成像方法。这项研究计划建立了一种方法,从本质上来说,研究人员正在获取牙釉质的二维图像,并将其转换成三维体。”
为了验证并推进这一方法,需要通过同步加速器实验,生成牙釉质内部的图像。2021年,该团队对动物牙齿进行了同步加速器实验。通过观察动物的牙齿,了解到研究人员最感兴趣的一些釉质特征的独特作用和排列方式。接下来,将通过更好的计算模型来重建这些特征,并将其应用于合成材料。
Marsico表示:“不同动物的牙釉质具有不同的功能。例如,食草动物的牙釉质适合缓慢的嚼碎过程,而食肉动物的牙釉质可能更利于咬合和撕裂,也可能更耐冲击。一旦了解是什么让牙釉质如此坚韧,就有希望在制造单片陶瓷时模拟这些特性。这会使涡轮机部件和防弹衣等产品的重量更轻、成本更低,促进实现安全和清洁能源未来。”
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