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研究办公室研究员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，将通过良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。”