Science封面:華人團隊揭秘“派大星”完美骨骼,高強度新型材料正在路上

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對於工業領域,尤其是汽車和航空航天製造業而言,尋找輕質且堅固的材料非常有必要。這些新型材料可以在保證強度的同時提高能源效率。然而,在長期工業實踐中,輕質且高強度材料的研發異常緩慢。畢竟強度更高的材料往往密度更大,重量也更大。

近日,來自弗吉尼亞理工大學機械工程學院的助理教授 Ling Li 博士帶領研究團隊,為新型輕質高強度陶瓷復合材料的開發指明了方向。

Ling Li 博士的研究團隊通過對廣泛分佈於印度-太平洋地區的多節海星骨骼樣本進行研究, 首次發現,海星的骨骼均由一個單獨的微晶格結構構成 ,這種微晶結構非常均勻,可以用數學公式來描述,並通過節點連接分支組成,類似於埃菲爾鐵塔的結構。

更有趣的是,他們還發現,微晶格結構的均勻性本質是原子水平的單晶結構。對此,Li 博士表示,“這種獨特的材料就像是由一塊方解石單晶雕刻而成的晶格, 這種近乎完美的微晶格結構此前在自然界中從未被報道過,也未被合成過。 大多數高度規則的晶格材料都是通過將材料和小晶體結合形成復合材料製成的,而這種全新的微晶格結構是作為一個整體生長而來的。”

圖 | Science 封面(來源:Science)

該研究以“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus”為題,發表在最新一期的 Science 雜志封面上。

如何實現工業材料質量與強度的平衡

我們都知道,密度高的材料其強度往往更大,相應的重量也就越大。舉個簡單的例子,相比於一個空心鐵球,實心鐵球的強度顯然會更高。

因此,長期以來,工業界在設計新型輕質高強度材料時往往難以取得質量和強度的平衡。

相比之下, 大自然經過數百萬年的進化,想到了一個巧妙的辦法來解決這一問題,那就是多孔材料 ,通過內部孔隙的引入產生極輕且高強度的材料。例如,我們的骨骼、植物的根莖以及蜜蜂的蜂巢等。

圖 | 蜂巢(來源:Pixabay)

如果將這些材料放在顯微鏡下,我們會發現,它們之間充滿了微小的空隙,以及復雜的幾何結構。正是這些復雜的孔隙,讓我們可以輕快地行走奔跑,且承受高強度的沖擊。

因此,長期以來,眾多材料工作者試圖從自然界中汲取靈感,開放新型多孔材料,尤其是新型多孔陶瓷材料。相比於金屬和聚合物材料,陶瓷具有良好的力學特性、熱學特性以及電化學特性可以更好地承受高溫和腐蝕環境,但其脆性往往使其容易破損,從而極大限制了陶瓷材料的廣泛應用。

以自然為靈感開發新型多孔陶瓷材料

此前,Li 博士的團隊曾在墨魚骨中發現,其獨特的多孔生物陶瓷結構同時具有堅固、抗斷裂特性,且能用於浮力調節。

這個項目以及其他類似的研究激發了 Li 博士在微觀尺度上研究自然界多孔結構的應用。在這項工作中,Li 博士及其團隊將目光放在了多節海星的骨架上。以往在電視中我們經常會看到海星以各種慵懶的姿勢躺平,因此很多人第一影響就是海星是一種非常柔軟的動物。

圖 | 海星(來源:Pixabay)

然而實際上,海星作為一種棘皮動物,其擁有中胚層形成的內骨骼,各種形式的小骨片經結締組織連接形成一個整體,雖然質量很輕,但是強度非常大,就像防彈衣那樣堅韌。

顯然,海星骨骼所表現出的高強度和高韌性是一種理想的材料,揭示其原理有助於製造出更堅固,更耐用的多孔陶瓷材料。

為此,Li 博士帶領研究團隊在納米級表徵和製造實驗室對這些海星骨骼樣本進行了觀察,結果發現,在微觀尺度上,海星骨架所呈現出的晶格結構非常規則,與此前墨魚骨以及海膽刺的多孔結構完全不同。相反,這是目前發現的無脊柱動物骨骼中最有規律的結構,這種規律的結構與人類現代建築項目常用的空間框架結構非常相似。

(來源:Virginia Tech)

隨後,研究人員開始探索這種天然的晶格材料是如何具有如此高的機械強度的,畢竟海星骨骼和粉筆的主要成分都是方解石,顯然粉筆的強度要遠低於海星。然而,研究結果遠超Li博士的預料。

他們發現,海星體內每一個小的骨片都是由一個單獨的微晶格結構構成,這種結構非常均勻,通過節點連接各個分支,類似於埃菲爾鐵塔的建築結構。

更有趣的是,研究小組發現,這種微晶格的均勻結構本質上是原子水平的單晶結構。這種結構允許海星在特定方向戰略性加強骨骼,提供增強保護。此外,這種動物似乎還可以沿著選定的方向和特定區域加厚觸手,從而提高機械性能。

類似於人體可以通過改變多孔骨骼局部幾何形狀以適應身體活動能力。對此,生物礦化專家、弗吉尼亞理工大學特聘教授 Patricia Dove 表示, “生活在高度掠奪性海底環境的海星和其他棘皮動物正在揭示一個新的材料世界,僅用海水和一些有機成分,生物界就可以之指導非凡骨骼的形成。這一工作對機械工程領域新材料設計具有重要意義。”

據悉,目前 Li 博士及其合作者正在嘗試使用 3D 打印技術來建模和生成這些復雜晶格結構。雖然目前Li團隊創建的 3D 打印模型可以在視覺上與之媲美,但是將這種全新的,強大的陶瓷架構推向市場仍舊需要一段時間。

圖 | Li 博士展示海星骨架和 3D 打印模型(來源:Alex Parrish for Virginia Tech)

目前,3D 打印機雖然可以生產微米結構,但是打印的陶瓷產品最終燒製成型過程可能會引入許多不受控制的微小孔隙和裂縫。這些細微的變化會破壞其力學特性,變得非常脆弱。未來,隨著 3D 打印技術的進步,以及對海星骨骼生物結構形成機制的瞭解,或許可以提供新的解決方案。

總體而言,這一研究從納米水平揭示了海星高強度骨骼的秘密,為未來更堅固、更輕盈的多孔陶瓷材料開發指明了方向。對此,Li 博士表示, “大自然可以在室溫和環境壓力下組裝這種復雜的生物結構,而人類現代科技目前無法實現。”

參考資料:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9472

https://vtx.vt.edu/articles/2022/02/eng-ling-li-starfish-skeleton.html https://www.eurekalert.org/news-releases/942484 ?

本文來自微信公眾號 “學術頭條”(ID:SciTouTiao),作者:朱哼哼,36氪經授權發布。

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