Přírodní nekovové materiály

Přírodní nekovové materiály

Přírodní nekovové materiály

• Dřevo

• Kosti

• Zuby

• Lastury

• Krovky brouků

• Pavoučí vlákna

• Měkké tkáně

• Srst ledního medvěda

• Typická charakteristika:

• Vysoká životnost

• Mechanická odolnost

Vysoká životnost

• Nálezy kostí a zubů ještěrů, lastur mořských plžů, zbytků chitinových krunýřů trilobitů, kteří žili na Zemi až před 500 miliony let.

Mechanická odolnost

• Provedeny zkoušky rázové odolnosti nejrůznějších ochranných přileb z celého světa – údery padajících cihel, kusů betonu, kamenů, kladiv.

• V náročné soutěži o nejodolnější materiál nezvítězily kovy ani uměle připravené kompozity.

Dřevo

Dřevo

• Roste jako vysoce organizovaná struktura podle přesného plánu.

• Skládá se jako každá živá tkáň z buněk, které jsou tak protáhlé, že vypadají jako vlákna.

• Buňky jehličnatých stromů jsou až 7 mm dlouhé při tloušťce 0,03 mm.

• Dřevo je anizotropní – jeho vlastnosti závisí na směru.

Dřevo

• Hodnotíme-li pevnost v tahu tzv. tržnou délkou lt (délka pruhu materiálu, který by se při zavěšení přetrhl vlastní tíží), pak dřevo jehličnatých stromů v podélném směru (lt = 11 – 30 km) předčí stavební ocel (lt = 7 – 8 km).

Dřevo• Nosné stěny buněk jsou převážně z celulózy = přírodní

makromolekulární látky.• V docela mladé buňce je živá protoplazma uzavřena jen

tenkou celulózovou slupkou. Postupně se živý obsah buňky ztrácí a zevnitř roste silnější sekundární vrstva.

• Makromolekuly celulózy se seskupují do mikroskopických fibril, které stěnu šroubovitě obtáčejí tak, že se ve stěně kříží.

Dřevo

• Každá buňka dřeva pak připomíná miniaturní laminátovou nádobu.

• Vyztužujícím vláknům v laminátu odpovídají v buňce pevné celulózové fibrily, úlohu spojující matrice plní vysokomolekulární látky = hemicelulóza a lignin, které působí také jako chemické stabilizátory celulózy.

• Dřevo, které používáme je současně tuhé, pevné a lehké, protože nosná vlákna jsou dutá.

Dřevo

• Obdobu je možné najít u bambusu:

štíhlá dřevnaté stonky bambusu si drží tuhost a stabilitu i při délce přes 4 m, protože jsou to vlastně trubky zpevněné cylindrickými výztuhami (kolínky), materiál stěny bambusu je navíc vyztužen tenkými vlákny na bázi oxidu křemičitého.

Kosti

Kosti

• Průřez dlouhých kostí je kompromis:

mezi kruhem (je nejvýhodnější při krutu)

a čtvercem (byl by optimální při namáhání na ohyb).

• Vnitřní architektura kostí je vylehčená a přizpůsobená předpokládanému namáhání.

Kosti

• Podobnou účelnost struktury, která začíná u vnějšího tvaru a končí až uspořádáním jednotlivých molekul – lze sledovat u kompaktní kostní tkáně.

• Chemicky se kost skládá ze dvou hlavních složek:

• 1) bílkovina = kolagen – měkké a spojité pojivo

• 2) minerální ztužující plnivo = hydroxylapatit.

• matrice výztuž synergický efekt

Matrice výztuž synergický efekt

Kosti

• Ve struktuře kostní dřeně bylo prozkoumáno 5 strukturních úrovní – všechny jsou uspořádány podle charakteristické šroubovice.

• Výchozí trojnásobné šroubovice molekul kolagenu určitým způsobem odpovídají krystalové mřížce hydroxylapatitu.

• Nezávisle bylo laboratorně prokázáno, že kolagen v přirozeném stavu nápadně usnadňuje krystalizaci hydroxylapatitu z roztoku.

Kosti

• Je pravděpodobné, že tedy i v živé tkáni narůstají krystaly výztuže už od samého počátku v dokonalé vazbě s kolagenem.

• Tím se dosáhne optimálního ztužení materiálu a zabrání se vzniku defektů v minerálních krystalech. Ty se mohou přiblížit téměř teoretickému uspořádání a tedy vykazovat i teoretickou pevnost.

Kosti

• Při zatížení lze indikovat v kostní tkáni elektrické náboje. Je tedy velmi pravděpodobné, že tento „piezoelektrický efekt“ souvisí s pozoruhodnou schopností kostí plynule přeskupovat vnitřní strukturu. Remodelace.

• Remodelace byla prokázána u sportovců po delším tréninku a u lidí s nadměrnou hmotností – jejich kosti mají zvýšenou pevnost, ale nejsou nijak zbytnělé.

Kosti

• Rentgenový mikrotomogram kosti 33 leté ženy

• Kosti mladých lidí obsahují asi 1/3 organické hmoty, asi 2/3 hmoty anorganické.

Kosti

• Rentgenový mikrotomogram kosti

72 leté ženy• Ve stáří je poměr hmot

mnohem horší - až 7/8 hmoty anorganické, kosti jsou křehké

• Měrná hmotnost (hustota) kosti je kolem 1,9 g.cm-3.

Zuby

Zuby

• Mimořádně zajímavým materiálem je zubní sklovina – je tvrdá, odolná proti oděru a přitom houževnatá.

• U běžných materiálů se obvykle pevnost a houževnatost vylučují.

Zuby

• Struktura zubní skloviny se skládá z minerálu hydroxylapatitu ve formě vláknitých šestibokých krystalků tlustých jen několik mikrometrů a orientovaných kolmo k povrchu zubu.

• Tato krystalická vlákna vykazují ještě jemnou strukturu tvořenou mnohem menšími rovnoběžnými jehličkami. Podstatné je, že mezi těsně uspořádanými minerálními krystaly zůstávají nepatrné póry, které jsou vyplněny vodou.

Zuby

• Při skousnutí nebo po nárazu tyto póry pohlcují mechanickou energii jako mikroskopické kapalinové tlumiče.

• Odpor tlumící kapaliny se zvyšuje elektrickými náboji, které vnější tlak vybuzují na povrchu krystalové mřížky, což je zvlášť účinné je-li povrch hydroxylapatitu fluoridován.

Lastury

Lastury

• Ulity plže z rodu Conus (homolice) jsou vystavěny z jehlových krystalů uhličitanu vápenatého ve formě aragonitu.

• Jsou uspořádány podélně do plochých destiček, navíc celou minerální strukturou prostupuje měkké bílkovinné pojivo, které je důležité pro houževnatost.

• Stěna ulity má tloušťku cca 4 mm a skládá se ze 3 vrstev.

Lastury

• V prostřední vrstvě jsou aragonitové destičky vrstveny kolmo k povrchu, ve vnější a vnitřní vždy šikmo k povrchu.

• Růst trhlin je takto účinně blokován.• Na rozhraní mezi vnější a střední

vrstvou se každá trhlina rozštěpí do různých směrů – to otupí její vrchol, sníží koncentraci napětí a rozptýlí mechanickou energii do velkého objemu.

• Růst trhliny se zastaví a homolice si povrchovou vadu opraví (vznikne jizva).

Lastury

• Křížová struktura ulity je tedy mechanicky výhodná a v celém kmeni měkkýšů a plžů velmi rozšířená.

• Analogickou strukturu jako ulity plžů mají i lastury mlžů.

Krovky brouků

Krovky brouků

• Materiál krovek každého brouka je přírodní analogií toho, čemu konstruktéři říkají

„ progresivní kompozitní materiály“.

• Materiál krovek je určen pro dlouhodobé dynamické namáhání za letu, navíc musí být lehký a poskytovat účinnou mechanickou ochranu.

Krovky brouků

• Základním nosným materiálem je chitin – materiál chemicky příbuzný celulóze.

• Pevná chitinová vlákna jsou uložena v měkké bílkovinné matrici (u krovek zlatohlávka je jejich obsah cca 53 %).

• Průřez chitinových vláken je přibližně čtvercový – tím se dosahuje rovnoměrné tloušťky pojiva mezi vlákny (běžná uhlíková nebo skleněná vlákna mají průřez kruhový).

Krovky brouků• Chitinová vlákna mají tloušťku

cca 1 mikrometr a skládají se do vrstev, které jsou pak kladeny na sebe tak, že se vlákna v sousedních vrstvách pravoúhle kříží a svírají přitom úhel 45o ve směru letu brouka.

• Navíc tenoučké mikrofibrily propojují vlákna všemi směry a zvyšují soudržnost krovky. Počet vrstev v různých místech je přizpůsoben namáhání – typická je soustava 14 vrstev zakončená shora vodorovným povlakem.

Krovky brouků

• Celou tloušťku krovky ještě navíc prostupují větrací póry.

• Krovka nad ostatními biologickými materiály vyniká zejména torzní tuhostí a pevností ve smyku, má lepší mechanické vlastnosti než samotný chitin, což svědčí o extrémně pevné vazbě a specifické interakci mezi složkami.

Krovky brouků

• Podobně jako dřevo je i materiál krovky brouka chemicky stabilizován neboť je vystaven UV záření a vlhkosti.

• Proti trhlinám, které by v krovce vznikly, existuje specifický způsob sebeobrany:

vrchol trhliny se rozštěpí a rozvede do poměrně rozsáhlé oblasti podél mnoha vláken a vrstev a trhlina se tak zastaví.

Krovky brouků

• Významná a obdivuhodná je odolnost proti střídavému ohybu:

• Podle délky života a „letových hodin“ zlatohlávka vychází na únavovou životnost 10 miliónů cyklů.

• Po tak dlouhém namáhání klesá pevnost kvalitního umělého laminátu pod 30 % původní hodnoty, zatímco krovka je stále jako nová.

Pavoučí vlákna

Pavoučí vlákna

• Jsou tak pevná, že by mohla sloužit k výrobě neprůstřelných vest nebo k vyztužování kompozitů, pokud by byla k dispozici levně a v dostatečném množství.

• Pevnost těchto vláken se blíží pevnosti kevlaru ale mají mnohem nižší teplotní odolnost.

Pavoučí vlákna

• Technikou genové manipulace byl „pavoučí“ gen vložen do genetické informace běžné bakterie.

• Takto modifikovaná bakteriální kultura se potom namnožila ve fermentační nádobě a po „sklizni“ bakteriálních buněk se z nich ultrazvukovým polem uvolnila „pavoučí bílkovina“.

Pavoučí vlákna

• K napodobení přírodních vláken a jejich kvality je třeba napodobit i jejich nadmolekulární strukturu.

• Ukazuje se, že pevná pavoučí vlákna i přírodní hedvábí mají strukturu kapalných krystalů.

• Podmínkou vzniku takové struktury jsou polymerní molekuly, v nichž se střídají poddajné části s velmi tuhými úseky, ale také schopnost mechanického dloužení vlákna, když je ještě v polotuhém stavu.

Pavoučí vlákna

• Pavoučí vlákno je vytvořeno ze tří odlišných proteinů.• Jeden vytváří amorfní nekrystalickou základní hmotu s

velkou roztažností, dávající vláknu elasticitu (umožní protažení sítě, když do ní narazí hmyz) a absorbuje velkou kinetickou energii.

• Do amorfní hmoty jsou zality dva druhy proteinů, které vlákno zpevňují. Zřejmě zde dochází k interakci s amorfním proteinem a k ukotvení krystalů v amorfní hmotě.

Pavoučí vlákna

• Vlákno je tedy pevný, odolný a elastický kompozit.

• Různé druhy pavouků – různé druhy vláken.

• Až 7 druhů snovacích žláz – odlišnosti ve vláknech.

• Závěsné vlákno, přemosťovací vlákno, velká spirála.

• Při tvorbě jsou vlákna rozpustná ve vodě po zaschnutí již ne, recyklovatelnost.

Pavoučí vlákna

• Byly provedeny pokusy se živými pavouky, od kterých bylo získáno vlákno (3 až 5 mg = 330 m).

• Tato vlákna byla skutečně použita na výrobu velmi tenkých neprůstřelných vest a jemných dámských rukaviček.

Měkké a elastické tkáně

• Šlachy, cévní stěny, biologické membrány.

• Vůbec nejpevnější a nejodolnější „fóliový“ materiál v lidském těle je tvrdá plena mozková, která je vnější ochranou mozku.

• Vnější (tvrdá) plena mozková je nesmírně pevná, houževnatá a navíc má podobně jako i jiné měkké tkáně naprosto unikátní závislost napětí na deformaci ve srovnání se syntetickými materiály.

Měkké a elastické tkáně

• Zatímco kaučuk – přírodní nebo syntetický – vykazuje tzv. esovitou křivku závislosti napětí – deformace, měkké biologické tkáně mají tuto charakteristiku ve tvaru písmene J.

• To znamená, že zpočátku při malých deformacích, je odpor proti deformaci také malý, ale od určité hranice deformace začne tuhost (E) materiálu prudce narůstat. Zdravá tkáň se tímto chováním brání proti nestabilitě, kterou může být místní vydutí stěny cévy nebo střeva.

• Esovitá křivka naproti tomu znamená, že od určité deformační hranice poddajnost materiálu náhle vzroste a dojde k jeho selhání.

Srst ledního medvěda

Srst ledního medvěda

• Při pohledu na medvěda termovizní kamerou zjistíme, že bílý medvěd je v oblasti infračervených (tepelných paprsků) téměř úplně černý – tedy nevydává žádné teplo.

• Je to způsobeno zvláštní strukturou srsti – respektive chlupů.

Srst ledního medvěda

• Každý medvědí chlup je možné si představit jako tenký dutý kužel vytvořený z bílkoviny – keratinu.

• Pod mikroskopem je vidět, že samotný keratin není bílý, ale téměř úplně průhledný.

• Vnější bílá barva srsti vzniká opticky rozptylem světla na drsném povrchu vnitřní dutiny.

Srst ledního medvěda

• Tepelné záření se v chlupu pohlcuje a jako světlovodem je přiváděno až ke kůži.

• Kůže je na povrchu černá, takže záření dokonale pohltí.

• Srst ledního medvěda není tedy jen pasivní izolační materiál, ale současně i aktivní sluneční kolektor.

Srst ledního medvěda

• I medvědí kožich tak potvrzuje obecnou platnost všech biologických materiálů:

plní několik funkcí najednou, jakoby při jejich vývoji spolupracoval celý tým odborníků z různých vědních oblastí.

Závěr• Studium mechaniky a struktury

přírodních materiálů je poučné nejen pro biology a lékaře, ale i pro technology.

• Bionika se snaží využít znalostí z biologie pro řešení technických problémů a přírodní materiálové principy napodobit.

• V přírodě nikdy neexistuje ostrý předěl mezi materiálem a konstrukcí – postupnou hierarchii strukturních úrovní lze sledovat od molekul až k celému organismu.

Náměty k zamyšlení

• Televizní vysílací věže mají štíhlostní poměr cca 30 (poměr výšky a šířky věže).

• Tráva dosahuje výšky 2 m a má průměr 1 cm

- štíhlostní poměr je 200.

Náměty k zamyšlení

• Tzv. lotosový efekt spočívá v samočištění a zakládá se na mikroskopicky drsné a vodu odpuzující povrchové struktuře listů i květů.

Náměty k zamyšlení

• Efektivní klimatizace termitišť.

• Podle geografické polohy se tyto stavby značně odlišují.

Náměty k zamyšlení

• Kachně nepřimrznou nohy k ledu – krev proudící do chodidla předává podstatnou část tepla do krve proudící zpět.

• Výměník tepla pracující na protiproudém principu.

Náměty k zamyšlení

• Nejrychlejšími predátory pod vodou jsou žraloci. Jejich kůže není hladká, ale příznivě strukturovaná vzhledem k proudění.

• Hydrodynamický odpor se v důsledku nepatrných drážkových struktur redukuje až o 10%.

• Na tomto principu zkonstruovaná fólie s žebrovanou strukturou nalepená na plochách letadel nebo na trupech lodí snižuje odpor proudění a tím i spotřebu paliva.

Náměty k zamyšlení

• „Písečná ryba“ ze Sahary je ještěrka, která se pohybuje pod povrchem písku.

• Povrch šupin je hladší než u skla, nylonu nebo leštěné oceli.

Děkuji za pozornost.