วิศวกรชาวฝรั่งเศสพัฒนาเซรามิกที่ทนทานต่อการแช่แข็งได้ดีกว่าสิบเท่า

นักวิจัยชาวฝรั่งเศสได้สร้างเซรามิกที่มีความต้านทานสูงกว่าเซรามิกทั่วไปถึงสิบเท่าผ่านกระบวนการที่ใช้น้ำ ผงอลูมินา และการแช่แข็งแบบควบคุม วัสดุนี้จำลองสถาปัตยกรรมตามธรรมชาติของมุกที่พบในเปลือกหอยเป๋าฮื้อ ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ทราบกันว่าช่วยชะลอการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว การค้นพบนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials เมื่อวันที่ 19 พฤษภาคม 2569

เซรามิกแบบดั้งเดิมมีความเปราะบางอย่างยิ่ง ความแข็ง ความแข็งแกร่ง และความต้านทานต่อความร้อนเป็นคุณสมบัติที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แต่รอยแตกร้าวเพียงจุดเดียวสามารถแพร่กระจายผ่านวัสดุได้อย่างรวดเร็วภายใต้ความเครียดหรือการกระแทก ทำให้เกิดการแตกหักอย่างรุนแรง ปัญหาทางเทคนิคนี้มีข้อจำกัดในการใช้งานทางอุตสาหกรรมมานานหลายทศวรรษ ทีมงานที่สถาบันวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์แห่งมหาวิทยาลัยลียงสามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนเคมีของวัสดุ เพียงแค่จัดสถาปัตยกรรมภายในใหม่

แรงบันดาลใจในธรรมชาติของมุก

Nacre เป็นชั้นที่หุ้มเปลือกหอยเป๋าฮื้อและหอยอื่นๆ แม้จะประกอบด้วยอะราโกไนต์เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นแคลเซียมคาร์บอเนตในรูปแบบเปราะ แต่เนเคอร์ก็มีความต้านทานการแตกหักเป็นพิเศษ ความต้านทานนี้เกิดขึ้นจากโครงสร้างเฉพาะของมัน

เมื่อมองด้วยกล้องจุลทรรศน์ เนเคอร์ถูกสร้างขึ้นจากชั้นแร่ที่มีขนาดเล็กมากวางซ้อนกันเหมือนอิฐ และเชื่อมต่อกันด้วยสสารทางชีวภาพที่ทำหน้าที่เหมือนปูน เมื่อเกิดรอยแตกร้าว จะไม่สามารถเคลื่อนไปข้างหน้าเป็นเส้นตรงได้ มันต้องวนไปรอบๆ แต่ละชั้น สูญเสียพลังงานไปตามทาง นักวิจัยชาวฝรั่งเศสตัดสินใจสร้างรูปแบบองค์กรนี้ขึ้นใหม่โดยใช้อนุภาคเซรามิก

การตัดสินใจที่จะมุ่งเน้นไปที่สถาปัตยกรรมมากกว่าเคมีของวัสดุได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความเด็ดขาดสำหรับกระบวนการที่ตามมาทั้งหมด แตกต่างจากวิธีการทั่วไปที่ต้องการปรับเปลี่ยนสารประกอบทางเคมี ทีมงานเก็บอลูมินาไว้และทำงานเฉพาะการจัดเรียงภายในเท่านั้น

กระบวนการผลิตด้วยผลึกน้ำแข็ง

การผลิตเริ่มต้นด้วยเกล็ดเลือดอลูมินาขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ ระบบกันสะเทือนจะถูกระบายความร้อนภายใต้สภาวะที่ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อควบคุมการเติบโตของผลึกน้ำแข็ง เมื่อคริสตัลโตขึ้น พวกมันจะผลักอนุภาคอลูมินาไปด้านข้าง บังคับให้พวกมันเรียงกันเป็นชั้น ๆ

หลังจากเอาน้ำแข็งออก โครงสร้างที่มีรูพรุนที่เกิดขึ้นจะถูกทำให้หนาแน่นขึ้นที่อุณหภูมิสูง กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นนี้จะเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นเซรามิกแข็งที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า:

• ต้านทานการแตกหักได้ดีกว่าเซรามิกทั่วไปถึงสิบเท่า
• คงลักษณะความแข็งและความแข็งแกร่งของเซรามิกแบบดั้งเดิม
• รักษาความต้านทานความร้อนสำหรับงานอุตสาหกรรม
• สืบพันธุ์องค์กรทางชีววิทยาโดยการสังเคราะห์
• ใช้เพียงน้ำ อลูมินา และควบคุมการแช่แข็ง

การใช้งานทางอุตสาหกรรมที่คาดหวัง

เซรามิก bioinspira ของทีมฝรั่งเศสเปิดความเป็นไปได้ในภาคส่วนที่ต้องการวัสดุที่แข็งและทนทาน ส่วนประกอบของเครื่องจักรอุตสาหกรรม สารเคลือบป้องกันความร้อน และองค์ประกอบโครงสร้างในสภาพแวดล้อมแรงดันสูง เป็นตัวเลือกโดยตรงสำหรับการใช้เทคโนโลยีนี้

ความเรียบง่ายของกระบวนการสร้างความแตกต่างทางการแข่งขัน ไม่ต้องใช้เคมีที่ซับซ้อน เพียงแค่ควบคุมอุณหภูมิระหว่างการแช่แข็งอย่างแม่นยำ สิ่งอำนวยความสะดวกที่มีอยู่สามารถปรับเปลี่ยนเพื่อผลิตวัสดุได้โดยไม่ต้องลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานใหม่มากเกินไป

นักวิจัยจากสถาบันระบุว่าวัสดุดังกล่าวแสดงถึงความก้าวหน้าของวัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพ ทีมงานประกอบด้วย Sylvain Deville และ Florian Bouville นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการการสังเคราะห์และปรากฏการณ์วิกฤต (LSFC) ที่เกี่ยวข้องกับมหาวิทยาลัยลียง ผลงานฉบับเต็มมีอยู่ในวารสาร Nature Materials ฉบับล่าสุด

การค้นพบนี้เน้นย้ำว่าโซลูชันทางเทคโนโลยีที่ซับซ้อนสามารถเกิดขึ้นได้จากการสังเกตโครงสร้างทางธรรมชาติอย่างใกล้ชิดได้อย่างไร แทนที่จะแข่งขันกับธรรมชาติ วิศวกรกลับลอกเลียนหลักการขององค์กร อนุภาคอลูมินาที่เน้นน้ำแช่แข็งในลักษณะเดียวกับที่กระบวนการทางชีวภาพทางธรรมชาติเป็นแนวทางในการก่อตัวของเนเคอร์ในหอยเป็นเวลาหลายพันปี ผลลัพธ์ที่ได้คือวัสดุที่รวมคุณสมบัติที่ดูขัดแย้งกันเข้าด้วยกัน ได้แก่ ความเปราะบางขั้นต่ำและความแข็งสูงสุด