Wie ich lernte, mir keine Sorgen mehr zu machen und die Metall-Superbones im Limpet-Stil zu lieben

Etwas Kontext, gleich zu Beginn: Ich bin ein verrückter Wissenschaftler. Das bedeutet, dass die Evolution defenestriert wurde ; als solches interessiert es mich nicht zu bestimmen, welcher evolutionäre Druck zur Annahme eines solchen Materials als Stützstruktur führen könnte, und ich interessiere mich auch nicht dafür, wo dieses Ding Aluminium finden könnte, um seine Knochen intakt zu halten; Wir reden hier über verrückte Wissenschaft und die Grenzen dessen, was innerhalb der Gesetze der Physik und der Biologie der Sterblichen möglich ist, nicht über langweilige alte Evolution.

Als verrückter Wissenschaftler plane ich zufällig, eine Kreatur mit Aluminiumknochen zu machen; insbesondere Knochen, deren Hauptmaterial Aluminiumoxid und nicht kohlensäurehaltiges Hydroxyapatit ist .

Nun, bevor wir fortfahren, die Frage: Was sind einige strukturelle oder biologische Schwächen bei der Verwendung von monokristallinen Aluminiumoxid-Whiskern, die in einer Kollagenmatrix suspendiert sind, als Material für Knochen - dh warum sollte ich das nicht tun?

Bitte beachten Sie, dass der Kern dieser Knochen reines Knochenmark ist . Du musst das haben, um zu leben, wenn du ein irdisches Leben bist; Ich bin vielleicht ein verrückter Wissenschaftler, aber ich bin kein verrückter Wissenschaftler, weißt du?

Die anderen Teile dieser Knochen - dh dort, wo normalerweise kohlensäurehaltiges Hydroxyapatit wäre - bestehen jedoch aus Aluminiumoxid. Hier ist, warum das großartig ist:

Aluminiumoxid hat mehrere Eigenschaften, die es dem Knochen als Stützstruktur überlegen machen.

• Ein Kompressionsmodul – wie schwer es ist, sich zu verformen – von 137 bis 324 Gigapascal, im Gegensatz zu Knochens Durchschnitt von 18,6 Gigapascal .

• Eine Druckfestigkeit – wie viel Stress es aushalten kann, bevor es sich verformt – von 690 Megapascal bis 5,5 Gigapascal, im Gegensatz zu den 170 Megapascal von Knochen .

• Eine Belastungsgrenze – die maximale Stärke eines Belastungszyklus (einer sich wiederholenden Belastung), der es auf unbestimmte Zeit standhalten kann – von 59 bis 488 Megapascal im Gegensatz zu 23 bis 30 Megapascal von Knochen .

• Eine Härte – wie schwer es ist, eingebeult oder abgerieben zu werden – von 2600-2720 kg/mm/mm , im Gegensatz zum niedrigen Zehnerbereich des Knochens .

• Ein Bruchmodul – das heißt, die maximale Belastung, der jede Faser widerstehen kann, kurz bevor sie versagt – von 152 bis 800 Megapascal. Ich kann keine Quelle für den Bruchmodul des Knochens finden. Es liegt jedoch wahrscheinlich im Bereich von 104 bis 121 Megapascal - um seine Zugfestigkeit herum -, da es sich um ein relativ homogenes Material handelt, und laut Wikipedia bedeutet dies, dass seine Zugfestigkeit wahrscheinlich vergleichbar ist mit, wenn möglicherweise sogar geringer als , seine Biegefestigkeit. Ich würde dies mit der Hand winken , da ich hier mangels einer Quelle möglicherweise ungenau bin, aber ich habe unten tatsächlich eine Lösung dafür, und zumindest sind Knochen und Aluminiumoxid wahrscheinlich vergleichbarin Bezug auf ihre Bruchmodule; Aluminiumoxid ist wahrscheinlich stärker.

• Ein Schermodul – dh wie widerstandsfähig es gegen seitliche Verformung ist – von 88 bis 165 Gigapascal, im Gegensatz zu den dumm niedrigen 51,6 Megapascal von Knochen .

• Eine Zugfestigkeit (wie oben erwähnt) von 69 bis 665 Megapascal im Gegensatz zu 101 bis 124 Megapascal von Knochen . Während dies möglicherweise geringer sein könnte als die von Knochen, nehmen wir an, dass dies nicht der Fall ist , da das obere Ende der Zugfestigkeit von Aluminiumoxid erheblich höher ist als das obere Ende von Knochen.

• Ein Elastizitätsmodul – wie steif es gegen Längskraft ist – von 215 bis 413 Gigapascal, im Gegensatz zu ~1 Gigapascal von Knochen; Obwohl ich keine direkte Quelle für diese Zahl habe, beträgt das Verhältnis des Elastizitätsmoduls zum Schermodul des Knochens 20:1 und 20 * 51,6 = 1.032.

• Ein Elastizitätsmodul – wie viel Kraft es aufnehmen kann, bevor es sich nicht dauerhaft verformt – von 275 Gigapascal (selbst bei einer relativ niedrigen Konzentration von 90 %, dh 10 % davon sind kein Aluminiumoxid) im Gegensatz zu 34,11 Gigapascal von Knochen . Beachten Sie, dass sich der Elastizitätsmodul von der Elastizitätsgrenze unterscheidet, die ich unten erwähne; Der Elastizitätsmodul bezieht sich auf die nicht dauerhafte Verformung, während sich die Elastizitätsgrenze auf die dauerhafte Verformung bezieht .

Nun, wie ich weiter oben in diesem Beitrag erwähnt habe, scheint es, dass Aluminiumoxid im Vergleich zu Knochen einige offensichtliche Schwächen hat; Es hat wahrscheinlich eine geringere Duktilität und Elastizitätsgrenze, und ich musste seine Bruchzähigkeit und Poisson-Zahl von Hand winken.

Während ich keine Zahlen zur Elastizitätsgrenze finden kann - wie viel Kraft pro Flächeneinheit er aushalten kann, ohne dauerhaft verformt zu werden - und zur Duktilität - wie stark er elastisch verformt werden kann , ohne zu brechen - bin ich bereit zu wetten, dass die Elastizitätsgrenze des Knochens größer ist als die Elastizitätsgrenze von Aluminiumoxid von 69 bis 665 Megapascal, und dass die Duktilität des Knochens größer ist als die Duktilität von Aluminiumoxid von 0,00018.

Die einzigen relevanten Bereiche, in denen ich sicher weiß, dass es möglich ist, dass Knochen Aluminiumoxid schlagen, sind die Bruchzähigkeit – wie schwer es für einen bereits vorhandenen Riss in der Substanz ist, weiter zu wachsen – und die Poisson-Zahl – wie stark eine Substanz zerquetscht wird beim Zusammendrücken seitlich heraus.

• Kortikaler Knochen hat eine Bruchzähigkeit von 2 bis 12 MPa.m^(-1/2) , während Aluminiumoxid eine Bruchzähigkeit von 3,3 bis 5 MPa.m^(-1/2) hat. Das reicht für eine Handwelle.

• Kortikaler Knochen hat auch ein Poisson-Verhältnis von 0,12 bis 0,63 (wenn Sie dieses bestimmte Bit finden möchten, verwenden Sie Strg-F, um es zu finden, da es eine lange Quelle ist), im Gegensatz zu Aluminiumoxid von 0,21 bis 0,33, was bedeutet, dass Aluminiumoxid könnte matschiger sein. Auch hier ist eine Handwelle durchaus möglich, aber diese Dinge werden irrelevant, sobald ich meine Lösung für die Flexibilitäts- und Sprödigkeitsprobleme von Aluminiumoxid unten implementiere.

Ich habe eine Lösung für diese Dinge, sehen Sie; Sie strukturieren die Aluminiumoxid-Knochen wie Napfschnecken-Zähne . Napfschneckenzähne enthalten monokristalline Goethit-Whisker – das sind Goethit-Kristalle, die so klein sind, dass sie fehlerunempfindlich sind, was bedeutet, dass sie keine strukturellen Verunreinigungen aufweisen, die größere Kristalle anfälliger für strukturelle Fehler machen. Außerdem – und das ist der wichtige Punkt – sind diese Goethit-Kristalle in eine Matrix aus Kollagen eingebettet , wodurch die Zähne einer Napfschnecke flexibel, nicht spröde usw.

Darüber hinaus haben diese Goethit-Kristalle im Verhältnis zu ihrer Gesamtheit eine geringe kritische Faserlänge, was bedeutet, dass sie Lasten sehr gut auf die Kollagenmatrix übertragen können – mit anderen Worten, sie müssen nicht sehr lang sein, um als solche zu wirken gute Stoßdämpfer.

Meine Lösung hierfür besteht daher darin, Kristalle/Fasern aus Aluminiumoxid in einer Kollagenmatrix zu suspendieren – ähnlich wie die Zähne einer Napfschnecke Kristalle/Fasern aus Eisen(III)-oxid-hydroxid (Goethit) in einer Kollagenmatrix sind – um die Flexibilität zu erreichen dieser Knochen bis zu einem Niveau, das eher mit dem konventionelleren irdischen Leben vergleichbar ist.

Alles in allem würde ich sagen, dass einkristalline Aluminiumoxid-Whisker, die in einer Kollagenmatrix schweben, - zumindest mechanisch gesehen - ein viel besserer Knochen sind als die, die tatsächlich im wirklichen Leben existieren, aber natürlich würde ich das sagen, weil Ich bin auf sie gekommen. Ob es tatsächlich Probleme damit gibt, bleibt abzuwarten , da kommt man ins Spiel:

Was sind einige strukturelle oder biologische Schwächen bei der Verwendung von monokristallinen Aluminiumoxid-Whiskern, die in einer Kollagenmatrix suspendiert sind, als Material für Knochen – dh warum sollte ich das nicht tun?

Nehmen Sie an, dass diese Kreatur mit Aluminiumoxid-Knochen dazu bestimmt ist, unter "normalen" Erdbedingungen zu funktionieren, an Land, auf Meereshöhe usw., und dass sie abgesehen von ihren einzigartigen Stützstrukturen in allen anderen Aspekten im Wesentlichen ein Tiger ist seine Biologie.

Gute Antworten weisen auf ein Problem mit diesen Knochentypen hin und haben einen mindestens so starken Sinn für Biologie, Physik und Chemie wie meine rudimentären.

Hier sind drei Antworten, für die ich bereits Lösungen habe und von denen ich nicht möchte, dass die Leute darauf antworten :

1. Gewicht. Aluminiumoxid ist 3,95 Gramm/cm^3, während Knochen ~0,92-1,4 Gramm/cm^3 hat. Diese Knochen sind etwa 2,75- bis 4-mal schwerer pro Masseneinheit. Ich kenne das und habe einen Weg gefunden, es zu umgehen.

2. Verfügbarkeit. Aluminium muss aus Stoffen wie Bauxit gewonnen und neue Stoffwechselwege entwickelt werden, um es zu verarbeiten und zu handhaben. Ich kenne das und habe einen Weg gefunden, es zu umgehen.

3. Toxizität. Aluminiumoxidfasern sind anscheinend schlecht für Sie ; Ich persönlich stelle mir vor, dass sie ein Inhalationsrisiko darstellen, habe aber keine harten Quellen dazu. Ich halte dies aus verschiedenen Gründen, die außerhalb des Rahmens dieser Frage liegen, für kein Problem. dh giftige Knochen sind genial .

Ich wurde von Logan R. Kearsleys Antwort auf eine frühere Frage von mir inspiriert .