КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-29-00253
НазваниеИсследование механизмов аккомодации напряжений в минералах биологического происхождения на примере скорлупы птичьих яиц
РуководительПанфилов Петр Евгеньевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словаБиоминералы, скорлупа птичьих яиц, ресторативные материалы для стоматологии, деформация, разрушение, трещина, горные породы.
Код ГРНТИ29.19.13
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение задачи на стыке материаловедения и стоматологии – разработки научных основ получения материалов для стоматологических имплантов с высокой биосовместимостью и с прочностными свойствами, близкими к свойствам твердых тканей зубов человека. Эмаль зубов человека – минерал биологического происхождения на основе гидроксиапатита кальция, который часто выбирают в качестве прототипа для стоматологических биомиметиков - материалов ресторативного назначения. Синтетические и природные апатиты кальция демонстрируют приемлемую биосовместимость, но низкие механические свойства по сравнению с зубной эмалью. Одним из путей создания биомиметиков является «замена» гидоксиапатита кальция неорганическим материалом с более высокой биосовместимостью и механическими свойствами, сравнимыми со свойствами эмали зубов. Скорлупа птичьих яиц представляется перспективным объектом для такой замены, поскольку она демонстрирует высокую биосовместимость с тканями живых организмов и, возможно, близкие к эмали прочностные свойства. Целью проекта является изучение механических свойств образцов, вырезанных из скорлупы яиц домашних и диких птиц для того, чтобы сравнить прочностные характеристики скорлупы и эмали зубов человека. Сдвиговые и точечные нагрузки – основные типы деформации, которые испытывают зубы человека при пережевывании пищи, поэтому основное внимание в проекте будет уделено изучению деформационного поведения лабораторных образцов при сдвиге, изгибе и микроиндентировании на воздухе и в водных средах, близких по составу к ротовой жидкости человека. Структура, химический состав и механические свойства скорлупы разных птиц будут сравниваться между собой с целью поиска биоминералов со свойствами, близкими к свойствам зубной эмали человека. Деформационное поведение лабораторных образцов на микроскопическом уровне будет изучаться путем наблюдения за трещинами при изгибе непосредственно на световом металлографическом микроскопе. При помощи сканирующего электронного микроскопа буду изучены трещины в скорлупе при больших увеличениях и морфология изломов образцов после испытаний. На оптическом микроскопе в режиме на «просвет» будет исследована область перед трещиной в тонких образцах скорлупы, где возможно существование пластической зоны. Полученные на скорлупе яиц результаты будут сопоставлены с подобными данными по деформационному поведению эмали зубов и горных пород. На основе такого сравнения будет разработана физическая модель деформационного поведения биоминералов и горных пород, включая развитие трещин, объясняющая их вязкоупругое поведение на микроскопическом масштабе. Модель представляет интерес для горного дела, поскольку может позволить лучше понять, как зависят прочностные свойства природных неорганических материалов от их генезиса. Будет сделано заключение о возможности создания биомиметика на основе эмали зубов, путем замены гидроксиапатита кальция карбонатом кальция из скорлупы птичьих яиц, для применения в качестве ресторативного материала в стоматологии. По результатам исследований планируется опубликовать 4 статьи в журналах из WoS и SCOPUS, и представить результаты исследований на научных конференциях в России и за рубежом.
Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет детально описана взаимосвязь между строением и деформационным поведением лабораторных образцов, вырезанных из скорлупы яиц домашних (куры, утки, гуси, перепела, индейки) и диких птиц (цапля, канюк, глухарь, утка, гусь и другие). С этой целью планируется аттестовать структуру модельных материалов на микроуровне и изучить их механические свойства при нагружении по схемам сдвига / среза и 3-точечного изгиба и при микроиндентировании (по Виккерсу) на воздухе и в водных средах, близких по химическому составу к ротовой жидкости человека. Будет изучено развитие трещин в лабораторных образцах из скорлупы при изгибе непосредственно на металлографическом микроскопе. При помощи сканирующего электронного микроскопа будет изучена морфология трещин в скорлупе при больших увеличениях, недоступных оптической металлографии, и морфология поверхностей разрушения образцов после испытаний. На оптическом микроскопе в режиме на «просвет» будет исследована область перед вершиной трещины в тонких образцах скорлупы, где возможно существование пластической зоны. Полученные на скорлупе птичьих яиц результаты будут сопоставлены с подобными данными по деформационному поведению эмали зубов человека и горных пород различного генезиса. На основе такого сравнения будет разработана физическая модель деформационного поведения минералов биологического происхождения и горных пород, включая развитие трещин, объясняющая вязкоупругое поведение этих природных материалов на микроскопическом масштабе. Будет сделано заключение о возможности разработки биомиметика на основе эмали зубов человека, путем замены гидроксиапатита кальция карбонатом кальция из скорлупы птичьих яиц, для применения в качестве ресторативного материала в стоматологии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году исследования по проекту проводились по двум направлениям. Первое – изучение деформационного поведения при 3-х точечном изгибе образцов, вырезанных из скорлупы куриных яиц, с нанесенными на их поверхности полимерными покрытиями. Второе – изучение деформационного поведения образцов, компактированных из порошка куриных яиц, под действием сжимающих и растягивающих нагрузок. В рамках второго направления была изучена морфология трещин в некоторых горных породах (гранит, серпентинит, базальт, песчаник и другие), которую сравнивали с морфологией трещин в кремнии и ГЦК-металлами, разрушающимися сколом (монокристаллы иридия и покрытые галлием монокристаллы алюминия).
Исследование деформационного поведения композитов «скорлупа – полимерная пломба». Показано, что деформационное поведение при изгибе образцов, вырезанных из скорлупы куриных яиц с полимерными покрытиями (полимерные пломбы, используемые в клинической стоматологии), продолжает оставаться хрупким, несмотря на разницу в свойствах покрытий. Это ожидаемый результат, поскольку яичная скорлупа представляет собой биоминерал на основе карбоната кальция с ковалентной химической связью, который должен вести себя на хрупкий манер. Механические свойства композита «скорлупа – полимерная пломба» могут меняться в широких пределах, но всегда в рамках хрупкого поведения. Геометрия вязкого полимерного покрытия и его физико-механические характеристики определяют механические свойства композита. Соединение «скорлупа – полимерная пломба» никогда не разрушалось при изгибе, что указывает на его высокую когезионную прочность для всех типов пломбных материалов. Проведенные эксперименты позволяют детально описать деформационное поведение композита «скорлупа – полимерная пломба» на разных этапах реставрационной процедуры. Кроме того, трехточечный изгиб является более приемлемой схемой нагружения для механических испытаний композита «биоминерал – полимерное покрытие» по сравнению с одноосным сжатием малогабаритных кубоидных образцов композита «твердая ткань зуба – полимерная пломба» на основе эмали зубов человека. Поэтому скорлупу куриных яиц можно рассматривать как замену твердых тканей зуба при разработке и изучении свойств новых пломбных материалов на этапе лабораторных исследований.
Анализ морфологии трещин в горных породах. Показано, что в модельных горных породах (серпентинит, гранит, базальт, песчаник и др.) при приложении растягивающих нагрузок возникают трещины, рост которых может останавливаться, несмотря на то, что приложенное напряжение не уменьшается. Это указывает на присутствие в них дополнительного канала аккомодации механических напряжений на микроуровне. В условиях бразильского теста наблюдаются трещины, траектория которых определяется геометрией приложенной нагрузки. Изменение схемы деформирования на изгиб не меняет характер разрушения. Наблюдаются трещины, пересекающие рабочие поверхности образцов от края до края, и траектории которых определяются геометрией нагружения, но их ширина была много меньше, чем при бразильских испытаниях. Анализ морфологии поверхностей изломов образцов подтверждает хрупкий тип разрушения модельных пород, который в большинстве случаев был аттестован как транскристаллитный скол.
Опасные трещины состояли из слившихся порообразных микротрещин длиной 50-100 мкм и шириной 10-20 мкм. Их края были шероховатыми, а вершины могли быть острыми острые с углами раскрытия не меньше 5°, хотя у трещины в хрупком теле угол при вершине должен быть меньше 1о. По внешнему виду они походили на опасную трещину в шейке металла, например, алюминия. Трещины в песчанике тоже состояли из фрагментов, в которых можно выделить порообразные микротрещины. Но, в отличие от порообразных микротрещин в серпентините и граните, они имели острые вершины с небольшим углом раскрытия. Трещины, образовавшиеся в горных породах при взрыве, имели гладкие края, а угол раскрытия был сравним с углом раскрытия трещины в хрупком теле, однако их ширина была значительно больше. И только трещины в нефрите оказались подобны трещинам в хрупком кремнии. Трещины скола в иридии били острыми, но их угол раскрытия был значительно больше, чем в кремнии. Анализ роста опасной трещины в фольга иридия и алюминия при растяжении показал, что оба металла демонстрируют один разрушения, который является собственной модой разрушения для пластичных металлов. Следовательно, хрупкое транскристаллитное разрушение иридия не означает, что он не может демонстрировать пластичный отклик на микромасштабе. Поэтому можно заключить, что модельные породы демонстрируют хрупкую реакцию на макромасштабе, но «почти вязкую» на микроуровне.
Анализ деформационного поведения образцов, компактированных из порошка куриных яиц, под действием сжимающих и растягивающих нагрузок. Оказалось, что оно было подобным поведению горных пород и минералов, включая эмаль зубов человека. Во всех случаях деформационные кривые можно аппроксимировать прямой линией, что указывает на отсутствие в модельных материалах стадии необратимой деформации. При этом величина деформации до начала разрушения образцов при сжатии была в разы выше той, что наблюдается перед разрушением силикатного стекла. Если же к ним прикладывается растягивающая нагрузка, то их поведение можно определить, как хрупкое. Свойства связующего вещества способны повлиять на механические характеристики материала, но не могут изменить типа его деформационного поведения.
Траектория роста трещин в компактированных образцах определяется геометрией, приложенной нагрузки, как в хрупких материалах, однако их морфология и особенности роста отличаются от наблюдаемого в силикатных стеклах и в кремнии. Трещины в таких образцах, состоят из слившихся друг с другом микротрещин с острыми вершинами. Их морфология близка к порообразным микротрещинам в песчанике. Несмотря на хрупкий характер поведения при диаметральном сжатии, трещины были стабильными, то есть после зарождения и остановки роста при отключении нагрузки, они не росли. С увеличением степени деформации растет ширина трещин, из-за чего при больших значениях деформации опасная трещина имеет ломаный профиль, но далеко не очевидно, что она состоит из слившихся микротрещин, как опасная трещина при небольших деформация. Это указывает на наличие в модельных материалах дополнительного к разрушению канала аккомодации упругой энергии, основным физическим механизмом которого в ковалентных неорганических материалах является обратимая деформация.
На макроскопическом уровне вклад дополнительного канала в поведение модельных материалов и горных пород не будет значительным, по сравнению с вкладом разрушения. Однако на микроскопическом масштабе вклад упругой деформации в аккомодацию упругой энергии становится значительным. В результате картина развития трещин в горных породах, эмали зубов человека и компактированной скорлупе, оказывается во многом похожей на развитие трещин в шейке пластичных металлов. Следовательно, вклад этого дополнительного канала аккомодации внешних механических напряжений приводит к существенным отличиям в деформационном поведении модельных материалов на микроскопическом масштабе от таких хрупких твердых тел, как силикатное стекло и монокристаллы кремния.
Публикации
1. Панфилов П.Е. , Зайцев Д.В. , Меженов М.Е., Григорьев С.С. Bending Deformation Behavior of Eggshell and Eggshell–Polymer Composites Journal of Composite Science, 2023, 7, 336 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/jcs7080336
2. Панфилов П.Е., Коровин Р.В., Меженов М.Е., Зайцев Д.В., Ефремовцев Н.Н. Some Features of Cleavage Cracks in Rocks and Metals Reviews on Advanced Materials and Technologies, vol. 5, no. 3, pp. 9–23 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17586/2687-0568-2023-5-3-9-23
3. Панфилов П.Е. ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА ПО СРАВНЕНИЮ С ТРЕЩИНАМИ В МЕТАЛЛАХ Разрушение горных пород и минералов: Сборник материалов конференции и школы молодых ученых и студентов (г. Екатеринбург, 4 апреля 2023 г.) / отв. редактор Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2022. – 87 с., 25-26 (год публикации - 2023)
4. Панфилов П.Е. О МОРФОЛОГИИ ТРЕЩИН В ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 11-14 сентября 2023 года, Томск, Россия. – 676 с., 175 (год публикации - 2023)
5. Панфилов П.Е. ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГЦК-МЕТАЛЛОВ. РАЗВИТИЕ ТРАНСКРИСТАЛЛИТНЫХ ТРЕЩИН В АЛЮМИНИИ ПРИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОМ ОХРУПЧИВАНИИ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ» посвященная 125-летию со дня рождения выдающегося советского ученого, академика АН СССР Петра Александровича Ребиндера Москва, 2 – 6 ОКТЯБРЯ 2023 г. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, 129 (год публикации - 2023)
6. Панфилов П.Е., Коровин Р.В., Меженов М.Е., Кабанова А.В., Зайцев Д.В. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА БИОКОМПОЗИТА (СКОРЛУПЫ ПТИЧЬИХ ЯИЦ) И МАТЕРИАЛОВ НА ЕЁ ОСНОВЕ Материалы LXVI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (АПП-2023) 23-27 сентября, Зеленогорск, Санкт-Петербург, Россия, 30 (год публикации - 2023)
7. Панфилов П.Е., Коровин Р.Д., Кабанова А.В., Меженов М.Е., Кочанов А.Н., Зайцев Д.В. О ВЛИЯНИИ ВОДЫ НА РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ» посвященная 125-летию со дня рождения выдающегося советского ученого, академика АН СССР Петра Александровича Ребиндера Москва, 2 – 6 ОКТЯБРЯ 2023 г. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, 225 (год публикации - 2023)
8. Панфилов П.Е., Коровин Р.Д., Меженов М.Е., Кабанова А.В., Мещерягина С.Г., Зайцев Д.В. О ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВАХ СКОРЛУПЫ ПТИЧЬИХ ЯИЦ И МАТЕРИАЛОВ НА ЕЁ ОСНОВЕ Термодинамика и материаловедение. Тезисы докладов XV Симпозиума с междуна- родным участием, 3–7 июля 2023 года / под ред. д.х.н. Н.В. Гельфонда, ответственный за выпуск к.х.н. Л.Н. Зеленина – Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2023, 338 с., 176 (год публикации - 2023)
9. Панфилов П.Е. Особенности трещин в горных породах в сравнении с трещинами в гцк-металле, разрушающемся сколом (иридии) Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, Геофизический семинар, Новосибирск, 5.07.2023, 05.07.2023 (год публикации - 2023)
10. Панфилов П.Е., Кабанова А.В. О морфологии трещин в материалах биологического генезиса (дентин и эмаль зубов человека, скорлупа птичьих яиц) Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, семинар "Механика макро- и нано-структур" Новосибирск, 03.07.2023, 03.07.2023 (год публикации - 2023)
11. - «В России предложили заменить зубную эмаль скорлупой куриных яиц» РИА «Новости», Информация в РИА «Новости» от 2023-09-04 (год публикации - )
12. - «Ученые УрФУ предложили заменить зубную эмаль скорлупой куриных яиц» ТВ канале Россия-Урал (вечерние новости) от 2023-09-19, Клип на канале Россия-Урал (вечерние новости) от 2023-09-19 (год публикации - )
13. - Как скорлупа поможет зубам Газета «Уральский федеральный», Статья в газете «Уральский федеральный» от 2023-10-09 (год публикации - )
14. - «Уральские ученые предложили заменить зубную эмаль скорлупой куриных яиц» ТВ канал "Утро России", Клип на канале Утро России от 2023-10-10 (год публикации - )