Bidsprinkhaankreeft sterker dan vliegtuig

Amerikaanse onderzoekers hebben een structuur ontworpen voor composietmaterialen die geïnspireerd is op de structuur van de schaar van bidsprinkhaankreeften, en die sterker is en beter aan botsingen weerstaat dan het materiaal dat gebruikt wordt voor vliegtuigen.
De bidsprinkhaankreeft is geen bidsprinkhaan en evenmin een kreeft.

Het gaat om onderzoekers van de University of California, Riverside, in samenwerking met onderzoekers van de University of Southern California en Purdue University. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in Acta Biomaterialia.

De pauwbidsprinkhaankreeft of stomatopode is een kreeftachtige die tot 30 centimeter lang kan worden en die een vuistachtige schaar heeft waarmee hij bliksemsnel en keihard kan toeslaan. De schaar, die weg gevouwen zit onder zijn lichaam, schiet naar voren met ongeveer de versnelling van een kogel kaliber 22. De kracht die de impact van de "knots" creëert, is meer dan 1.000 keer het gewicht van de bidsprinkhaankreeft. De scharen zijn zo krachtig dat de professoren de bidsprinkhaankreeften in speciale aquaria houden, waarvan ze het glas niet kunnen breken. De versnelling van de schaar veroorzaakt bovendien cavitatie, ze doet holten ontstaan in de vloeistof: de schaar versnelt zo hard dat ze het water letterlijk aan de kook brengt. Dat veroorzaakt de cavitatiebellen, die imploderen en een schokgolf veroorzaken die de prooi van de bidsprinkhaankreeft alsnog kan doden of verdoven, als de schaar de prooi gemist heeft. 

Spiraal

De onderzoekers, onder leiding van professor David Kisailus van de UC Riverside, waren geïnteresseerd in de schaar omdat ze duizenden keren de prooi kan raken met een enorme kracht zonder te breken. Uit eerder werk van de onderzoekers bleek dat de schaar uit verschillende lagen bestaat, waaronder een binnenste laag die endocuticula genoemd wordt.

Die laag wordt gekenmerkt door een spiraalvormige rangschikking van lagen van gemineraliseerde vezels die dienst doen als schokbreker. Elke laag is in een kleine hoek geroteerd tegenover de laag er onder tot er uiteindelijk een complete rotatie van 180 graden gemaakt wordt. 

Composietmaterialen

In hun publicatie passen de onderzoekers dat spiraalvormige of helicoïdale gelaagde design toe bij het creëren van koolstofvezel-epoxy-composietmaterialen. Volgens de onderzoekers kunnen die gebruikt worden in een aantal toepassingen, waaronder de luchtvaart, de auto-industrie, voor beschermende kledij en helmen. 

De onderzoekers maakten koolstof-epoxy-composieten met lagen in drie verschillende spiraalvormige rangschikkingen, waarbij de lagen met een verschil gaande van 10 graden tot 25 graden op elkaar gelegd werden.

Ze maakten ook twee controle-materialen, een "unidirectionele", waarbij de lagen direct op elkaar en parallel aan elkaar gelegd werden, en een die quasi-isotropisch genoemd wordt. Dat is de standaard die in de luchtvaart- en de ruimtevaartindustrie gebruikt wordt en daarbij worden de lagen op elkaar gelegd eerst in een hoek van 0 graden, dan -45 graden, +45 graden, 90 graden enzovoorts.

Vervolgens wilden ze testen hoe goed het materiaal met de spiraalstructuur aan een botsing kon weerstaan en hoeveel energie het kon absorberen. Daarvoor gebruikten ze een test die ook in de vliegtuigindustrie gebruikt wordt. Daarbij laat men een gewicht met een afgeronde punt op het materiaal vallen, dat 100 joule aan energie produceert bij de impact.

Schade

Na de test maten ze de zichtbare uitwendige schade, de diepte van de deuk en de inwendige schade werd gemeten met een ultrasone scan.

De unidirectionele materialen, waarbij alle lagen in dezelfde richting lagen, barstten en waren een complete mislukking. De quasi-isotropische materialen, die in de luchtvaart gebruikt worden, werden helemaal doorboord en hadden dus ook een gat in hun achterkant. Verder hadden ze substantiële schade aan de vezels. 

De helicoïdale structuren, die dus geïnspireerd zijn op de scharen van de bidsprinkhaankreeft, hadden ook een aantal gescheurde vezels, maar ze waren niet helemaal doorboord. De diepte van de deuken in die materialen was 20 tot 50 procent minder dan in de quasi-isotropische materialen en uit de scan bleek dat de schade zich zijwaarts verspreid had in de structuur, in plaats van door te scheuren zoals bij de quasi-isotropische. 

Het team drukte vervolgens de materialen samen tot ze braken.Uit de resultaten bleek dat de helicoïdale materialen nog 15 tot 20 procent meer sterkte hadden na de impact dan de quasi-isotropische materialen,

Diversiteit

De onderzoekers bekeken daarna de overblijfselen nog in detail om mogelijke verbeteringen aan het design aan te brengen. Verder onderzoek van het team zal onder meer over nieuwe materialen gaan, en ze bekijken ook nog andere organismen. De huidige studie was onder meer gefinancierd door de Amerikaanse luchtmacht, voor verder onderzoek geeft het ministerie van Defensie 7,5 miljoen dollar.

"Biologie kent een ongelooflijke diversiteit aan soorten, die ons nieuwe leidraden kunnen geven om te komen tot de volgende generatie van geavanceerde materialen voor lichtgewicht voertuigen, vliegtuigen en andere toepassingen", zo zei professor Kisailus op de website van UC Riverside.

De structuur van het nieuwe materiaal (links) en van de schaar (rechts).

De bidsprinkhaankreeften van UC Riverside

Meest gelezen