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Idaho National Laboratory explores how teeth can teach us about modern materials

23/02/22-FR Bas de page

Idaho National Laboratory onderzoekt hoe tanden ons kunnen leren over moderne materialen

CrackingImaging of the biting force for several animals’ enamel. Image by Idaho National Laboratory

Hoe onwaarschijnlijk het ook klinkt, een simpele tand zou een belangrijke rol kunnen spelen in de toekomst van schone energie in de wereld. Tandglazuur heeft unieke eigenschappen die het zowel stijf als veerkrachtig maken, het heeft een reeks waardevolle toepassingen die verder gaan dan bijten en kauwen.

Geen enkel synthetisch materiaal bezit deze essentiële aangeboren eigenschappen in dezelfde mate. Het maken van materialen met een aantal van die eigenschappen kan een aanzienlijke impact hebben op zowel schone energie als de nationale veiligheid.

"Veel biologische weefsels hebben interessante en onderscheidende eigenschappen, maar we onderzoeken specifiek glazuur vanwege de unieke combinatie van sterkte en taaiheid", zei Carli Marsico, stagiaire van het Idaho National Laboratory en DOE Office of Science Graduate.

Office of Science kende deze prestigieuze beurs toe zodat Marsico INL kon ondersteunen bij onderzoek dat cruciaal is voor zowel de nationale veiligheid als schone energie, twee belangrijke missiegebieden voor het laboratorium.

Marsico's interesse in het verkennen van methoden om monolithische keramiek te taaien vond zijn oorsprong in hun toepassing als kogelvrije vesten voor soldaten. Voor haar stage bij INL was ze nieuwsgierig naar de unieke eigenschappen van biologische weefsels en probeerde ze te begrijpen hoe ze bruikbaar zouden kunnen zijn in de defensiesector. Dit is echter verre van de enige baanbrekende uitkomst voor dit onderzoek.

Het INL-onderzoeksteam is ook geïnteresseerd in hoe harder keramiek de kosten in de schone energiesector kan verlagen. Omdat deze keramiek ideaal is voor omgevingen met hoge temperaturen, worden ze vaak gebruikt voor barrièrecoatings en andere turbineonderdelen. Momenteel moeten deze turbineonderdelen vanwege de brosse structuur van het keramiek "overdesigned" worden met verstevigingen.

Stoer en sterk: de kwaliteiten van een tand

Op het gebied van materiaalkunde beschrijft sterkte de stijfheid en het vermogen van een materiaal om vervorming te weerstaan. Taaiheid verwijst naar het vermogen om catastrofale storingen te weerstaan, zoals barsten of breken onder druk.

"Het synthetische materiaal dat het meest lijkt op tandglazuur is een monolithisch keramiek, dat verwijst naar keramiek gemaakt van slechts één materiaal," zei Marsico. "Ze zijn betrouwbaar voor gebruik in toepassingen bij hoge temperaturen, waardoor ze waardevol zijn in de automobiel-, elektrische en elektronica-, energie- en defensie-industrie."

Monolithische keramiek is sterk en is gemakkelijk bestand tegen vervorming, maar is ook eerder broos dan taai. Als ze vallen, breken ze gemakkelijk.
In de tand: gebruik maken van de modernste beeldvormingstechnieken

Om de sterkte en taaiheid van tandglazuur na te bootsen en uiteindelijk toe te passen op monolithische keramiek, moeten onderzoekers begrijpen hoe glazuur deze eigenschappen bezit. Dit begrip vereist de juiste beeldvormingsmogelijkheden. Dit is de hoeksteen van Marsico's onderzoek geweest sinds ze begon te werken met INL's modellerings- en simulatieonderzoeker Donna Guillen.

"De structuur van tandglazuur leent zich niet goed voor de huidige driedimensionale beeldvormingsmethoden die we hebben," zei Marsico. "Ons onderzoeksvoorstel biedt een manier om dat te omzeilen - in wezen nemen we tweedimensionale afbeeldingen van tandglazuur en brengen deze over in driedimensionale volumes."

Om vol vertrouwen verder te gaan met deze voorgestelde methodologie, moesten Marsico en het INL-team het valideren - in dit geval door middel van een synchrotron-experiment. Synchrotrons zijn grote machines die elektronen versnellen tot bijna de lichtsnelheid, waardoor ze door magnetische velden afbuigen en een extreem helder licht creëren. Dat heldere licht dringt door het tandglazuurmonster, gaat er volledig doorheen en creëert, net als bij röntgenfoto's, een beeld van het binnenste van het glazuur.

In 2021 gebruikte het team hetzelfde synchrotronproces voor het experiment met dierentanden. Door naar dierentanden te kijken, kunnen Marsico en Guillen de unieke rollen en rangschikkingen begrijpen van enkele van de glazuurkenmerken die hen het meest interesseren. Vervolgens zullen ze betere rekenmodellen vormen om deze kenmerken te reconstrueren en toe te passen op synthetische materialen.

"Het tandglazuur van verschillende dieren is geoptimaliseerd voor specifieke functies," zei Marsico. "Het glazuur van een herbivoor is bijvoorbeeld ontworpen om langzaam te malen, terwijl het glazuur van een carnivoor misschien meer bevorderlijk is voor bijten en scheuren en mogelijk ook schokbestendiger is."

Hoe gaan we verder ? Schone energie en defensietoepassingen

"Als we eenmaal begrijpen wat tandglazuur zo taai maakt, kunnen we hopelijk die eigenschappen nabootsen bij het ontwerpen van monolithische keramiek. Dit zal zorgen voor een lichtere, goedkopere productie van artikelen zoals turbineonderdelen en kogelvrije vesten, waardoor zowel de veiligheid van ons land als de toekomst van schone energie wordt versterkt, "zei Marsico.

Over Idaho National Laboratory Battelle Energy Alliance beheert INL voor het Office of Nuclear Energy van het Amerikaanse Department of Energy. INL is het nationale centrum voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van kernenergie en doet ook onderzoek in elk van de strategische doelgebieden van DOE: energie, nationale veiligheid, wetenschap en milieu.
NJC.© Info Idaho National Laboratory

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23/02/22

Le laboratoire national de l'Idaho explore comment les dents peuvent nous renseigner sur les matériaux modernes

CrackingImaging of the biting force for several animals’ enamel. Image by Idaho National Laboratory

Aussi improbable que cela puisse paraître, une simple dent pourrait jouer un rôle important dans l'avenir de l'énergie propre dans le monde. L'émail dentaire a des propriétés uniques qui le rendent à la fois rigide et résilient, il a une gamme d'applications précieuses au-delà de la morsure et de la mastication.

Aucun matériau synthétique ne possède ces qualités vitales innées au même degré. La création de matériaux dotés de certaines de ces qualités pourrait avoir un impact significatif à la fois sur l'énergie propre et sur la sécurité nationale.

"De nombreux tissus biologiques ont des propriétés intéressantes et distinctes, mais nous explorons spécifiquement l'émail en raison de sa combinaison unique de résistance et de ténacité", a déclaré Carli Marsico, stagiaire au Laboratoire national de l'Idaho et diplômée du Bureau des sciences du DOE.

L'Office of Science a décerné cette prestigieuse bourse afin que Marsico puisse soutenir l'INL dans la recherche essentielle à la sécurité nationale et à l'énergie propre, deux domaines de mission clés pour le laboratoire.

L'intérêt de Marsico pour l'exploration de méthodes pour durcir les céramiques monolithiques trouve son origine dans leur application comme gilet pare-balles pour les soldats. Avant son stage à l'INL, elle était curieuse des propriétés uniques des tissus biologiques et cherchait à comprendre leur utilité dans le secteur de la défense. Cependant, c'est loin d'être le seul résultat qui change la donne pour cette recherche.

L'équipe de recherche de l'INL s'intéresse également à la manière dont des céramiques plus résistantes pourraient réduire les coûts dans le secteur de l'énergie propre. Étant donné que ces céramiques sont idéales pour les environnements à haute température, elles sont souvent utilisées pour les revêtements de barrière environnementale ainsi que pour d'autres pièces de turbine. Actuellement, ces pièces de turbine doivent être « surdimensionnées » avec des renforts, en raison de la fragilité de la structure de la céramique.

Robuste et solide : les qualités d'une dent

Dans le domaine de la science des matériaux, la résistance décrit la rigidité d'un matériau et sa capacité à résister à la déformation. La ténacité fait référence à sa capacité à résister à des défaillances catastrophiques, telles que la fissuration ou la rupture sous pression.

"Le matériau synthétique le plus similaire à l'émail dentaire est une céramique monolithique, qui fait référence à toute céramique fabriquée à partir d'un seul matériau", a déclaré Marsico. "Ils sont fiables pour une utilisation dans des applications à haute température, ce qui les rend précieux dans les secteurs de l'automobile, de l'électricité et de l'électronique, de l'énergie et de la défense."

Les céramiques monolithiques sont solides et résistent facilement à la déformation, mais elles sont également cassantes plutôt que dures. En cas de chute, ils se briseront facilement.
À l'intérieur de la dent : tirer parti des techniques d'imagerie de pointe

Pour imiter la résistance et la ténacité de l'émail dentaire, et finalement l'appliquer à la céramique monolithique, les chercheurs doivent comprendre comment l'émail possède ces propriétés. Cette compréhension nécessite des capacités d'imagerie appropriées. Cela a été la pierre angulaire des recherches de Marsico depuis qu'elle a commencé à travailler avec la chercheuse en modélisation et simulation de l'INL, Donna Guillen.

"La structure de l'émail dentaire ne se prête pas bien aux méthodes d'imagerie tridimensionnelle actuelles que nous avons", a déclaré Marsico. "Notre proposition de recherche établit un moyen de contourner cela - essentiellement, nous prenons des images bidimensionnelles de l'émail dentaire et les transférons dans des volumes tridimensionnels."

Pour avancer en toute confiance avec cette méthodologie proposée, Marsico et l'équipe de l'INL devaient la valider - dans ce cas, par le biais d'une expérience synchrotron. Les synchrotrons sont de grandes machines qui accélèrent les électrons à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, les faisant dévier à travers les champs magnétiques et créer une lumière extrêmement brillante. Cette lumière vive pénètre dans l'échantillon d'émail dentaire, le traverse complètement et, comme pour l'imagerie par rayons X, crée une image de l'intérieur de l'émail.

En 2021, l'équipe a utilisé le même procédé synchrotron pour l'expérience avec des dents d'animaux. L'examen des dents d'animaux permet à Marsico et Guillen de comprendre les rôles et les arrangements uniques de certaines des caractéristiques de l'émail qui les intéressent le plus. Ensuite, ils formeront de meilleurs modèles informatiques pour reconstruire ces caractéristiques et les appliquer aux matériaux synthétiques.

"L'émail dentaire de différents animaux est optimisé pour des fonctions spécifiques", a déclaré Marsico. "Par exemple, l'émail d'un herbivore est conçu pour un broyage lent, alors que l'émail d'un carnivore pourrait être plus propice à la morsure et à la déchirure et pourrait également être plus résistant aux chocs."

Où allons-nous à partir d'ici ? Énergie propre et applications de défense

« Une fois que nous aurons compris ce qui rend l'émail dentaire si résistant, nous pourrons, espérons-le, imiter ces propriétés lors de la conception de céramiques monolithiques. Cela permettra une fabrication plus légère et à moindre coût d'articles tels que des pièces de turbine et des gilets pare-balles, renforçant ainsi à la fois la sécurité de notre pays et l'avenir de l'énergie propre », a déclaré Marsico.

À propos du Laboratoire national de l'Idaho Battelle Energy Alliance gère l'INL pour le Bureau de l'énergie nucléaire du Département américain de l'énergie. L'INL est le centre national de recherche et de développement de l'énergie nucléaire et effectue également des recherches dans chacun des domaines stratégiques du DOE : l'énergie, la sécurité nationale, la science et l'environnement.
NJC.© Info Idaho National Laboratory

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