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陶瓷工程界的明星,通过研究这种不寻常的海洋物种复杂且高度有序的矿化骨骼系统
2022年02月21日    阅读量:121984    新闻来源:熊猫信息网  |  投稿

与金属和聚合物基材料相比,陶瓷可以更好地承受高温和腐蚀性环境,但它们的脆性往往使它们容易破损。这种行为可能会给试图创造这些材料的轻质多孔版本的创新者带来问题,这解释了为什么陶瓷泡沫通常不用作结构部件。


面对开发轻质、高强度陶瓷材料的艰巨任务,机械工程助理教授李玲向一位意想不到的合作者寻求设计灵感:来自热带印度太平洋的多节海星涂料在线coatingol.com。通过研究这种不寻常的海洋物种复杂且高度有序的矿化骨骼系统,李和他的研究团队发现了一种意想不到的特征组合,可能会导致开发出一种全新的高性能轻质陶瓷复合材料。


陶瓷工程界的明星,通过研究这种不寻常的海洋物种复杂且高度有序的矿化骨骼系统 熊猫信息网


通过多孔变轻


汽车和航空航天制造等行业对设计坚固和轻质的材料有着浓厚的兴趣,将更好的燃油效率与强度相结合。工业界发现这种平衡很难达到,因为强度更高的材料通常具有高密度,因此重量更大。


大自然经过数百万年的进化,想出了解决这个问题的巧妙方法:使用多孔材料。内部孔隙率的引入可能会产生极轻且机械高效的材料。


自然界中存在几个多孔材料的例子。这些包括人类骨骼系统、植物茎和蜜蜂的蜂巢。如果将这些天然材料放在显微镜下,很快就会发现它们充满了微小的空隙或腔室。自然生长非常有效地形成这些多孔生物结构,并且这种形成通常会导致出乎意料的复杂内部几何形状。


在生物和仿生材料实验室,李和他的团队正在研究天然轻质陶瓷结构,目标是开发新的材料设计原则,以解决陶瓷泡沫和建筑材料的机械弱点。


“我们的总体目标是学习并从大自然中汲取灵感,开发新型多孔材料,”李说。“大自然为设计既坚固又耐损坏的多孔材料提供了许多很好的材料课程。”


此前,该团队发现墨鱼骨(墨鱼的内部骨骼)独特的基于腔室的生物陶瓷结构同时具有坚固、坚硬和抗断裂的特性,同时仍可调节浮力。这个项目和其他类似项目激发了团队在微观尺度上研究自然界多孔设计的其他应用。


海星骨架:一种天然的建筑陶瓷格子


在这项工作中,李和他的团队将目光转向了多节海星的骨架。广泛分布于整个印度-太平洋地区,该物种的干骨骼通常用于家居装饰。这些海星的特征是从背表面升起的锥形突起,可以阻止捕食者。


在纳米尺度表征和制造实验室 (NCFL) 观察这些海星骨架的样本时,Li 和 Ph.D. 学生 Ting Yang(论文的共同第一作者,现为麻省理工青娱乐网站博士后)的观察引起了他们的兴趣:在微观尺度上,海星骨架呈现出排列非常规则的格子结构与之前研究的墨鱼骨和海胆刺的多孔结构完全不同的树枝。事实上,这颗海星独特的骨骼组织表现出这组无脊椎动物有史以来最高的结构规律性。这种规则的格子状结构与现代人类建筑项目中常用的空间框架桁架结构具有显着的相似性。


该团队想知道这种天然陶瓷晶格材料是如何实现机械保护的,因为海星骨架是由方解石制成的,方解石是碳酸钙(白垩)的一种结晶形式。熟悉户外玩耍的孩子都知道,人行道粉笔很脆,很容易折断。然而,海星的身体表现出很高的强度和柔韧性。揭示这种结构的基本原理可能有助于解决制造更坚固的多孔陶瓷的挑战。


团队的发现是出乎意料的。与其他海星物种一样,多节星的骨骼由许多毫米大小的骨骼元素组成,称为听小骨。这些听小骨与软组织相连,使动物能够灵活移动。李和他的团队发现,每个听小骨都是由一个微晶格结构构成的,这种结构非常均匀,可以用数学来描述,它由通过节点连接的分支组成,类似于埃菲尔铁塔的结构。更有趣的是,研究小组发现,由于其原子排列整齐,微晶格的均匀结构本质上是原子水平的单晶结构。


“这种独特的材料就像由一块方解石单晶雕刻而成的周期性晶格,”李说。“这种近乎完美的微晶格在自然界中没有报道过,也没有合成制造过。大多数高度规则的晶格材料是通过将材料与小晶体结合以形成复合材料制成的,但这是新的。它是作为单件生长的。”


这种结构允许海星在特定方向战略性地加强其骨架,提供增强的保护。此外,动物似乎可以沿着选定的方向和特定区域加厚树枝,以类似于人体具有改变其多孔骨骼的局部几何形状以适应身体活动的能力的方式提高其机械性能。在海星中,研究人员还发现该结构似乎改变了其设计的规则晶格图案的区域,这一特征在微晶格断裂时抑制了裂纹扩展。


生物矿化专家、大学特聘教授、弗吉尼亚理工大学地球科学系 CP Miles 科学教授 Patricia Dove 表示,这一生物发现可能会对生物启发式创新领域产生重大影响。


“生活在高度掠夺性海底环境中的海星和其他棘皮动物正在揭示一个对生存至关重要的材料创新世界,”多夫说。“仅使用海水和一些有机成分,生物学就可以指导显着骨骼的形成,例如海星中的骨骼。这项对潜在机械工程特性的新颖研究具有作为新材料设计前沿的巨大潜力。”


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